Holz und Organismen: Internationales Symposium Berlin-Dahlem 1965 [1 ed.] 9783428406524, 9783428006526

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Beihefte zu Material und Organismen Supplement to Materials and Organisms Supplément à Matériaux et Organismes Herausgegeben von · Edited by · Edité par Günther Becker, Berlin-Dahlem

Heft 1

Holz und Organismen Internationales Symposium Berlin-Dahlem 1965

Herausgegeben von Günther Becker und Walter Liese

Duncker & Humblot · Berlin

Holz und Organismen Internationales Symposium Berlin-Dahlem 1965

Beihefte zu Material und Organismen Herausgegeben von Prof. Dr. phil. habil. Günther Becker Bundesanstalt für Materialprüfung Berlin-Dahlem

Heft!

Holz und Organismen Internationales Symposium Berlin-Dahlem 1965

Herausgegeben von

Prof. Dr. phil. habil. Günther Becker Bundesanstalt für Materialprüfung, Berlin-Dahlem

und

Prof. Dr. rer. silv. Walter Liese Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft Reinbek (Bez. Hamburg)

DUNCKER & HUMBLOT /

BERLIN

A l l e Rechte, auch d i e des auszugsweisen N a c h d r u c k s , der photomechanischen Wiedergabe u n d der Übersetzung, vorbehalten. © 1966 D u n c k e r & H u m b l o t , B e r l i n 41 G e d r u c k t 1966 b e i B e r l i n e r B u c h d r u c k e r e i U n i o n G m b H . , B e r l i n 61 Printed in G e r m a n y

Vorwort H o l z ist L e b e n s r a u m u n d z u g l e i c h N a h r u n g f ü r zahlreiche O r g a n i s men. D i e v i e l f ä l t i g e n B e z i e h u n g e n zwischen b e i d e n s t e l l e n e i n G r e n z gebiet dar, das n u r d u r c h Z u s a m m e n w i r k e n m e h r e r e r Wissenschaften ausreichend b e a r b e i t e t w e r d e n k a n n . I h r e Ergebnisse s i n d gleicherm a ß e n f ü r die G r u n d l a g e n f o r s c h u n g w i e f ü r d i e L ö s u n g p r a k t i s c h e r Probleme von Bedeutung. E i n internationales Symposium „Holz und O r g a n i s m e n " , das v o m 20. bis 23. O k t o b e r 1965 i n der B u n d e s a n s t a l t f ü r M a t e r i a l p r ü f u n g i n B e r l i n - D a h l e m stattfand, sollte Biologen verschiedener A r b e i t s r i c h t u n g e n , C h e m i k e r , H o l z - u n d F o r s t w i s s e n s c h a f t l e r s o w i e T e c h n o l o g e n zu A u s s p r a c h e n z u s a m m e n f ü h r e n , Ü b e r s i c h t e n ü b e r b e s t i m m t e T h e m e n k r e i s e geben u n d n e u g e w o n n e n e E r k e n n t n i s s e v e r m i t t e l n . D e r G e d a n k e einer solchen Z u s a m m e n s c h a u f a n d s t a r k e n W i d e r h a l l , u n d d i e Z a h l v o n 80 T e i l n e h m e r n w a r größer als zunächst vorgesehen. Z w e i D r i t t e l v o n i h n e n k a m e n aus d e m A u s l a n d , u n d z w a r v o n A u s t r a l i e n , F r a n k r e i c h , Ghana, I n d i e n , Japan, K e n i a , d e n N i e d e r l a n d e n , N i g e r i a , N o r w e g e n , Österreich, P o r t u g a l , Schweden, der Schweiz, der Tschechoslowakei, d e m V e r e i n i g t e n B r i t i s c h e n K ö n i g r e i c h u n d den Vereinigten Staaten v o n A m e r i k a . D i e Beziehungen zwischen Holz u n d Organismen w u r d e n i n Themengruppen behandelt:

fünf

1. M o r p h o l o g i s c h e V e r ä n d e r u n g e n v o n H o l z d u r c h O r g a n i s m e n , 2. Chemische V e r ä n d e r u n g e n v o n H o l z d u r c h O r g a n i s m e n , 3. P h y s i o l o g i e u n d Ö k o l o g i e v o n h o l z b e w o h n e n d e n u n d - z e r s t ö r e n d e n Mikroorganismen, 4. P h y s i o l o g i e u n d Ö k o l o g i e v o n h o l z z e r s t ö r e n d e n I n s e k t e n u n d anderen Tieren, 5. Wechselbeziehungen zwischen d e n i n u n d v o n H o l z l e b e n d e n M i k r o organismen u n d Tieren. H i e r z u w u r d e n 45 V o r t r ä g e eingereicht u n d i n Deutsch, E n g l i s c h oder Französisch m i t s i m u l t a n e r Ü b e r s e t z u n g v o r g e t r a g e n . Diese große Z a h l an V o r t r ä g e n s o w i e die V i e l s e i t i g k e i t der b e h a n d e l t e n T h e m e n h ä t t e d e m G e l i n g e n eines n u r w e n i g e Tage d a u e r n d e n K o l l o q u i u m s entgegenstehen k ö n n e n ; doch w a r e n die T e i l n e h m e r ü b e r e i n s t i m m e n d d e r A n sicht, daß erst h i e r d u r c h d i e ganze B r e i t e der wissenschaftlichen F r a g e s t e l l u n g e n a u f d e m G e b i e t d e r S c h ä d i g u n g des Holzes d u r c h O r g a n i s -

Vorwort

6

m e n v e r m i t t e l t u n d d i e angestrebte engere V e r b i n d u n g d e r a n d e n P r o b l e m - K r e i s e n b e t e i l i g t e n Wissenschaften e r r e i c h t w e r d e n k o n n t e . Z u e i n e r F ö r d e r u n g des Erfahrungsaustausches u n d z u s t ä r k e r e r , b l e i b e n d e r Z u s a m m e n a r b e i t b e i g e t r a g e n z u haben, d a r f als e i n w i c h t i g e s E r g e b n i s des S y m p o s i u m s angesehen w e r d e n . W i e die V o r t r ä g e u n d D i s k u s s i o n e n gezeigt haben, ist die m o r p h o l o g i sche u n d chemische E r f o r s c h u n g des H o l z a b b a u e s i n d e n l e t z t e n J a h r e n b e t r ä c h t l i c h v e r t i e f t w o r d e n ; d i e t e i l w e i s e engen B e z i e h u n g e n z w i s c h e n b e i d e n A r b e i t s r i c h t u n g e n s i n d besser f a ß b a r g e w o r d e n . Ü b e r Stoffwechselphysiologie u n d Ökologie holzzerstörender Organismen w u r d e n i n z w i s c h e n d i e w i c h t i g s t e n G r u n d l a g e n e r a r b e i t e t ; dennoch bestehen w e s e n t l i c h e L ü c k e n , d i e j e t z t d e u t l i c h e r h e r v o r t r e t e n . A l s eine f ü r das V e r s t ä n d n i s v o n E n t w i c k l u n g u n d V e r m e h r u n g der O r g a n i s m e n e n t scheidende S t o f f g r u p p e h a b e n sich d i e i m H o l z n u r i n g e r i n g e r M e n g e v o r k o m m e n d e n E i w e i ß v e r b i n d u n g e n erwiesen. D i e engen u n d v i e l f ä l t i g e n Wechselbeziehungen z w i s c h e n h o l z b e w o h n e n d e n T i e r e n u n d M i k r o o r g a n i s m e n t r a t e n als besonders w i c h t i g u n d b e a c h t e n s w e r t h e r v o r ; die w e i t e r e , eingehende B e a r b e i t u n g gerade dieses Gebietes w i r d z u m V e r s t ä n d n i s v i e l e r Lebenserscheinungen der O r g a n i s m e n b e i t r a g e n . D i e V o r t r ä g e , die unsere K e n n t n i s s e e r w e i t e r t u n d d e n S y m p o s i u m T e i l n e h m e r n zahlreiche neue A n r e g u n g e n gegeben h a b e n , v o l l s t ä n d i g abzudrucken, i s t a l l g e m e i n g e w ü n s c h t w o r d e n . D i e H e r a u s g e b e r d a n k e n dem Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft u n d Forsten s o w i e d e m Senator f ü r W i r t s c h a f t des L a n d e s B e r l i n f ü r die finanzielle F ö r d e r u n g , d e m V e r l e g e r , H e r r n D r . J. B r o e r m a n n , f ü r sein v e r s t ä n d nisvolles Entgegenkommen u n d i h r e n M i t a r b e i t e r n f ü r die H i l f e bei der r e d a k t i o n e l l e n A r b e i t . B e r l i n - D a h l e m u n d H a m b u r g - R e i n b e k , i m F e b r u a r 1966.

Günther

Becker

Walter

Liese

Inhaltsverzeichnis Morphologische Veränderungen von Holz durch Organismen Morphological Changes of Wood by Organisms Altérations Morphologiques du Rois par des Organismes Vivants W. LIESE: Mikromorphologische Veränderungen beim Holzabbau durch Pilze Einfluß der Weißfäulepilze auf die U l t r a s t r u k t u r Zellwandschichten

V . NEÓESANÌ:

13

äußerer

Mikromorphologische Veränderungen verholzter Zellwände durch Basidiomyeeten (Braunfäuleerreger)

27

H . COURTOIS:

41

J. F. LEVY: The Soft Rot Fungi and their Mode of E n t r y into Wood and Woody Cell Walls 55 H. GREAVES:.The Effect of Bacterial A c t i o n on Some Wood Cubes i n Shake Culture W.

MERRILL:

Decay of Wood and Wood Fiberboards by Common Fungi

Imperfecti H.

61

WILLEITNER:

69 Über den A b b a u von Holzspanplatten durch Moderfäule-

pilze

77

Chemische Veränderungen von Holz durch Organismen Chemical Modification of Wood by Organisms Altérations Chimiques du Bois par des Organismes Vivants E.

B . COWLING:

Chemical Modification of Wood D u r i n g Microbial Deterio-

ration K.

SEIFERT:

91 Über den A b b a u der Holzcellulose durch Organismen ..

M. P. LEVI: Decay Patterns Produced by Chaetomium wood Fibers. A Chemical and Microscopic Study

103

globosum i n Beech119

8

Inhaltsverzeichnis

J. E. C o u R T O i s et C. CHARARAS: Les Enzymes Hydrolysant les Glucides (Hydrates de Carbone) chez les Insectes Xylophages Parasites des Conifères et de quelques autres Arbres Forestiers 127 P.

The Causes of Variations i n the N a t u r a l D u r a b i l i t y of Wood: Inherent Factors and Ageing and their Effects on Resistance to Biological Attack 151

RUDMAN:

F. F. NORD: Biochemistry of L i g n i n

163

R. RÖSCH: Uber die F u n k t i o n der Phenoloxydasen holzabbauender Pilze . . 173 R.

SOPKO:

Ligninolytic A c t i v i t y of White-Rot Fungi

187

Physiologie und Ökologie von holzbewohnenden und -zerstörenden Mikroorganismen Physiology and Ecology of Wood-inhabiting and Wood-destroying Microorganisms Physiologie et Ecologie des Microorganismes Lignicoles et Lignivores W. P. K . W.

FINDLAY:

Ecology of Wood-destroying and Wood-inhabiting Fungi

199

B A V E N D A M M : Physiologie der Holzpilze. E i n Überblick über neuere Forschungsergebnisse 213

Η . v. P E C H M A N N : Der Einfluß der Temperatur auf das Wachstum von Bläuepilzen 237 R.

W.

und W. L I E S E : Elektronenmikroskopische Hyphen von Holzpilzen

SCHMID

Beobachtungen an

M E R R I L L and E . B . C O W L I N G : A m o u n t and Distribution of Nitrogen i n Wood and its Influence on Wood Deterioration 263

and W. M E R R I L L : Distribution and Reuse of Nitrogen Wood-destroying Fungi

E . B . COWLING

u n d G. Basidiomyceten

K . DAMASCHKE

U.

251

BECKER:

Rhythmen des Sauerstoffverbrauchs

in 269 von 275

u n d W. L I E S E : Untersuchungen über das Abbauvermögen holzzerstörender Pilze 291

AMMER

A. UEYAMA: The Size Effect of Sample Blocks on Decay Rate of Beech Wood (Fagus crenata) i n Laboratory Tests 301

Inhaltsverzeichnis Organism Interactions i n Decay and Discoloration i n Beech, Birch and Maple 309

A . L . SHIGO:

Studies on the Succession of Higher F u n g i on Felled Beech Logs (Fagus crenata) i n Japan 325

A . UEYAMA:

F.

Influence de Certaines Fractions Extraites du Bois sur la Compétition entre Champignons Lignivores et Populations du Sol . . . . 333

MANGENOT:

: Champignons Lignicoles des Bois Fraichement Abattus en A f r i q u e Tropicale 343

M . FOUGEROUSSE

Physiologie und Ökologie von holzzerstörenden Insekten und anderen Tieren Physiology and Ecology of Wood-destroying Insects and other Animals Physiologie et Ecologie des Insectes et autres Animaux Vivant dans le Bois et le Détruisant The L i m i t e d D i s t r i b u t i o n of Hylotrupes i n Relation to Climatic Differences

P . KNUDSEN:

R . L . GIESE:

The Bioecology of Corthylus

bajulus L. i n Norway

columbianus

353 Hopkins

361

J. D. B L E T C H L Y : Aspects of the Habits and. N u t r i t i o n of the Anobiidae w i t h Special Reference to Anobium punctatum 371 J. M. B A K E R : Application of X-Radiography to the Estimation of L a r v a l 383 Size i n Anobium punctatum (Deg.) S.

CYMOREK:

G.

BECKER:

Experimente m i t Lyctus

391

Einflüsse physikalischer Faktoren auf Termiten

415

I. HRDY: E i n Beitrag zur Bionomie von Coptotermes formosanus. Laboratoriumszucht u n d Verwendbarkeit dieser A r t für die Prüfung der Termitenfestigkeit von Material 427 R. D.

TURNER:

Η . KÜHNE:

A.R.

Implications of Recent Research i n the Teredinidae

Über Beziehungen zwischen Teredo, Limnoria

HOCKLEY:

Population Changes i n Limnoria

und Chelura

437 ....

447

i n Relation to Temperature 457

Environmental Factors Influencing the Settlement, A c t i v i t y and Reproduction of the Wood-boring Isopod Limnoria 465

S. Κ . ELTRINGHAM:

Inhaltsverzeichnis

10

Wechselbeziehungen zwischen den in und von Holz lebenden Mikroorganismen und Tieren Inter-relationships beetween Microorganisms and Animals that Inhabit and Digest Wood Liens Réciproques entre Microorganismes et Animaux Vivant dans le Bois et s'en Nourrissant G.

BECKER:

Über Beziehungen zwischen Tieren u n d Mikroorganismen i m

Holz

481

A. E. LUND: Subterranean Termites and Fungal-Bacterial Relationships 497 Η.

FRANCKE-GROSMANN:

Über

Symbiosen von xylo-mycetophagen

phloeophagen Scolytoidea m i t holzbewohnenden Pilzen D.

und 503

The Complex of F u n g i Essential to the G r o w t h and Development of Xyleborus sharpi i n Wood 523

M . NORRIS:

G . JURZITZA:

Die Symbiose der Anobiiden m i t hefeartigen Pilzen

531

Morphologische Veränderungen v o n H o l z durch Organismen

M o r p h o l o g i c a l Changes of W o o d b y Organisms

Altérations Morphologiques d u Bois par des Organismes

Mikromorphologische Veränderungen beim Holzabbau durch Pilze Von

WALTER

LIESE*

Lehrstuhl für Holzbiologie, Universität Hamburg, und I n s t i t u t für Holzbiologie und Holzschutz der Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft, Reinbek (Deutschland) D i e v i e l f ä l t i g e n Wechselbeziehungen z w i s c h e n H o l z u n d O r g a n i s m e n s i n d der I n h a l t unseres S y m p o s i u m s . E i n l e i t e n d s o l l e n d a h e r n i c h t die O r g a n i s m e n u n d i h r physiologisch-ökologisches V e r h a l t e n b e h a n d e l t w e r d e n , s o n d e r n F r a g e n , die d e n engen Z u s a m m e n h a n g b e i d e r K o m p l e x e b e i der H o l z z e r s t ö r u n g besonders sichtbar z u m A u s d r u c k k o m m e n lassen, w i e d i e m i k r o m o r p h o l o g i s c h e n V e r ä n d e r u n g e n der Z e l l w ä n d e w ä h r e n d des A n g r i f f s d u r c h Pilze. D e r enzymatische A b b a u des Holzes f ü h r t n i c h t n u r z u chemischen, p h y s i k a l i s c h e n u n d mechanischen V e r ä n d e r u n g e n der Z e l l w ä n d e , sond e r n ist auch m o r p h o l o g i s c h d e u t l i c h z u erfassen. A n g e r e g t v o r a l l e m d u r c h die c h a r a k t e r i s t i s c h e n A b b a u b i l d e r der M o d e r f ä u l e , w u r d e v o r e i n i g e r Z e i t begonnen, das W a c h s t u m der P i l z e i m H o l z g e w e b e u n d d i e W i r k u n g der p i l z l i c h e n E n z y m e auf die Z e l l w a n d s t r u k t u r e n eingehender z u b e a r b e i t e n . D i e bessere B e o b a c h t u n g s m ö g l i c h k e i t i m E l e k t r o nenmikroskop u n d die hierdurch vertiefte K e n n t n i s über den Feinbau v e r h o l z t e r Z e l l w ä n d e e r l e i c h t e r t e d e r a r t i g e U n t e r s u c h u n g e n (W. LIESE u. U .

HARTMANN-FAHNENBROCK,

JURASEK, 1 9 5 6 ; V . NEÖESANY,

1953; H .

1963; M .

MEIER, P. LEVI,

1 9 5 5 ; V . NECESANY U . 1 9 6 4 ; Ν . CORBETT,

L.

1965).

Histologische V e r ä n d e r u n g e n d u r c h e i n e n P i l z a n g r i f f w u r d e n dabei d i r e k t sichtbar, u n d die Ergebnisse der l e t z t e n J a h r e h a b e n so z u neuen Vorstellungen über den A b l a u f der Zellwandzersetzung geführt. F ü r die. verschiedenen B e f a l l a r t e n w u r d e n h i e r b e i zahlreiche E i n z e l e r g e b nisse g e w o n n e n , aus d e n e n sich einige a l l g e m e i n e r e A u s s a g e n a b l e i t e n lassen, die der speziellen E r ö r t e r u n g v o r a n g e s t e l l t sein sollen: D i e E r r e g e r der m a k r o s k o p i s c h d e u t l i c h v o n e i n a n d e r u n t e r s c h e i d b a r e n F ä u l n i s t y p e n f ü h r e n auch i m s u b m i k r o s k o p i s c h e n B e r e i c h z u verschiedenen A b b a u f o r m e n , diese lassen sich j e d o c h z u e i n i g e n w e n i gen B e f a l l m u s t e r n zusammenfassen. D i e B e f a l l m u s t e r w e r d e n v o n F e r * M i t Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.

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Walter Liese

mentsystem und Wandstruktur bestimmt. Zelltyp, Holzart und Befallbedingungen w i r k e n meist n u r modifizierend. Die i m L i c h t - u n d Elekt r o n e n m i k r o s k o p e r f a ß b a r e n B i l d e r eines m o m e n t a n e n A b b a u z u s t a n d e s lassen sich i n i h r e r z e i t l i c h e n F o l g e g l i e d e r n u n d e r m ö g l i c h e n d a d u r c h eine w e i t e r e D e u t u n g des A b l a u f s der e n z y m a t i s c h e n Z e l l w a n d z e r s t ö r u n g . D i e Ergebnisse v e r t i e f e n z u g l e i c h unser W i s s e n ü b e r d e n F e i n b a u der Z e l l w a n d i n m o r p h o l o g i s c h e r u n d chemischer H i n s i c h t . I m folgenden werden zunächst die mikromorphologischen Veränderungen der verholzten Zellwände durch die verschiedenen Gruppen holzzerstörender Pilze beschrieben, u m dann die hierbei beobachteten Gemeinsamkeiten u n d Unterschiede diskutieren zu können. Die hier i m Zusammenhang dargestellten elektronenmikroskopischen Untersuchungen w u r d e n gemeinsam m i t Fräulein Dr. R . S C H M I D , München, durchgeführt und sind teilweise i n Einzelbeiträgen bereits veröffentlicht worden (W. L I E S E , 1 9 6 3 , 1 9 6 4 ; W. L I E S E U . R . S C H M I D , 1 9 6 1 , 1 9 6 2 , 1 9 6 4 ; R . S C H M I D U. W. L I E S E , 1 9 6 4 , 1 9 6 5 ) . H e r r n Professor Dr.-Ing. F. K O L L M A N N , I n s t i t u t für Holzforschung und Holztechnik, U n i v e r sität München, danke ich für die Arbeitsmöglichkeit am Elektronenmikroskop.

Bläue D i e B l ä u e p i l z e b r e i t e n sich i n N a d e l h ö l z e r n n i c h t a l l e i n i n d e n n ä h r s t o f f r e i c h e n M a r k s t r a h l e n aus, s o n d e r n auch i n d e n L ä n g s t r a c h e i d e n . D i e d e n Z e l l w ä n d e n a u f l i e g e n d e n H y p h e n zeigen k e i n e e n z y m a t i s c h e E i n w i r k u n g auf d i e W a n d s u b s t a n z e n (Fig. 1). D i e A u s b r e i t u n g des M y cels v o n T r a c h e i d e z u T r a c h e i d e e r f o l g t t e i l w e i s e d u r c h d i e H o f t ü p f e l , wobei die H y p h e n meist durch den offenen Porus i n die T ü p f e l k a m m e r wachsen u n d d a n n e n t w e d e r d i e H o f w a n d u n g oder d e n i h r a u f l i e g e n d e n Torus durchdringen. Der Torus w i r d v o n den H y p h e n ohne Einschnür u n g i n v o l l e r B r e i t e d u r c h w a c h s e n (Fig. 2). H i e r b e i d ü r f t e n v o r a l l e m mechanische K r ä f t e w i r k s a m w e r d e n . E t l i c h e B l ä u e a r t e n k ö n n e n auch die v e r h o l z t e n T r a c h e i d e n w ä n d e i n k l e i n e n K a n ä l e n v o n e t w a 0,2 μ Durchmesser passieren (Fig. 3). D i e s e r aus l i c h t m i k r o s k o p i s c h e n U n t e r suchungen b e k a n n t e B e f u n d i s t b e m e r k e n s w e r t , da f ü r die B l ä u e p i l z e i m a l l g e m e i n e n k e i n e Z e l l w a n d - l ö s e n d e n E n z y m e b e k a n n t sind. E l e k t r o n e n m i k r o s k o p i s c h e B e o b a c h t u n g e n zeigten, daß die H y p h e n a p i k a l e i n besonders g e f o r m t e s G e b i l d e besitzen, das z u m D u r c h d r i n g e n d e r W ä n d e d i e n e n d ü r f t e . Dieses i n A n l e h n u n g a n d e n B e g r i f f des „ A p p r e s s o r i u m s " auf V o r s c h l a g v o n R . R Ö S C H als „ T r a n s p r e s s o r i u m " bezeichn e t e O r g a n e l l besteht aus e i n e m l ä n g e r e n S t i e l u n d e i n e m v e r d i c k t e n K o p f t e i l , d e m eine S p i t z e a u f s i t z t (Fig. 4). Z a h l r e i c h e Q u e r f a l t e n a m S t i e l d e u t e n a u f e i n i n t e r k a l a r e s W a c h s t u m des T r a n s p r e s s o r i u m s d u r c h d i e Z e l l w a n d h i n , w o b e i v o n der S p i t z e ausgeschiedene E n z y m e zusätzl i c h w e g b e r e i t e n d w i r k e n k ö n n t e n . D i e Passage der Z e l l w a n d w ä r e d a h e r a u f g l e i c h z e i t i g e enzymatische A b b a u v o r g ä n g e u n d mechanische D r u c k w i r k u n g z u r ü c k z u f ü h r e n . B e m e r k e n s w e r t ist, daß die H y p h e n

Mikromorphologische Veränderungen beim Holzabbau durch Pilze

15

Fig. 1. Hyphe des Bläuepilzes Ceratocystis coerulescens auf der Tertiärwand einer Tracheide (Picea excelsa). — Fig. 2. Durchbruch einer Hyphe von Scopularia phycomyces durch den Torus eines Hoftüpfels. — Fig. 3. Hyphe von Ceratocystis coerulescens nach Durchwachsen eines Bohrloches. — Fig. 4. Transpressorium an der Spitze einer Hyphe von Ceratocystis pilifera. — Fig. 5. Lytischer Zellwandabbau durch Hyphen von Bisporomyces spec. — Fig. 6. Perforationshyphe des Moderfäulepilzes Chaetomium globosum nach Durchdringen der Zellwand.

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e i n i g e r B l ä u e p i l z e auch sehr d ü n n e m e t a l l i s c h e F o l i e n , w i e A l u m i n i u m u n d S i l b e r , z u d u r c h w a c h s e n v e r m ö g e n ; h i e r b e i d ü r f t e eine M i t w i r k u n g e n z y m a t i s c h e r V o r g ä n g e u n w a h r s c h e i n l i c h sein. Z u den Bläuepilzen gehört eine große Zahl physiologisch und ökologisch sehr verschiedener Arten, wobei ein Übergang zu den holzzerstörenden Moderfäulepilzen gegeben ist. Es liegt daher nahe, daß die Bläuepilze auch unterschiedliche Fermentaktivitäten besitzen. Bereits die von der Pilzart abhängige Fähigkeit, verholzte Zellwände zu durchdringen, deutet hierauf hin. K. SEIFERT (1964) stellt auf Grund chemischer Analysen befallenen Holzes Aureobasidium pullulans bereits zu den Moderfäulepilzen m i t niederer A b baustufe. Weitere Untersuchungen über das enzymatische Verhalten der Bläuepilze und ihren Einfluß auf die Zellwände sind daher wünschenswert.

Moderfäule Die — w i e die Bläuepilze — meist zu den Ascomyceten gehörenden M o d e r f ä u l e p i l z e v e r u r s a c h e n i m Gegensatz z u d e n B l ä u e p i l z e n e i n e n a u f f a l l e n d e n Z e l l w a n d a b b a u . A l s typisches B e f a l l s y m p t o m w i r d d i e A u f l ö s u n g der S e k u n d ä r w a n d angesehen, aber zahlreiche H y p h e n w a c h sen auch d i r e k t i m Z e l l u m e n . D i e T r a c h e i d e n der N a d e l h ö l z e r k ö n n e n v o n d e n m e i s t e n P i l z a r t e n n i c h t v o m L u m e n aus a b g e b a u t w e r d e n , w ä h rend bei den Laubhölzern die innere Zellwandschicht, die T e r t i ä r w a n d , e n z y m a t i s c h a n g e g r i f f e n w i r d . Beiderseits der H y p h e n i s t d a n n eine l y t i s c h e Z e l l w a n d v e r ä n d e r u n g z u e r k e n n e n , die sich o f t i n f e i n g r a n u l ä r e r S t r u k t u r auf l ö s u n g ä u ß e r t (Fig. 5). L ä n g s s c h n i t t e zeigen diese l y t i s c h e W i r k u n g als E i n k e r b u n g e n der Z e l l w a n d . D i e T e r t i ä r w a n d bes i t z t o f f e n b a r b e i N a d e l - u n d L a u b h ö l z e r n eine u n t e r s c h i e d l i c h e R e sistenz, w a s i h r e n c h e m i s c h - p h y s i k a l i s c h v e r s c h i e d e n a r t i g e n A u f b a u unterstreicht. D a die T e r t i ä r w a n d besonders b e i d e n N a d e l h ö l z e r n eine A r t B a r r i e r e f ü r d e n Z e l l w a n d a u f b a u d a r s t e l l t , b i l d e t das i m Z e l l u m e n b e f i n d liche M y c e l schmälere H y p h e n aus, d i e als sogenannte Perforat i o n s h y p h e n bezeichnet w e r d e n sollen. Diese wachsen d u r c h d i e T e r t i ä r w a n d oder auch aus d e r T ü p f e l k a m m e r i n d i e S e k u n d ä r w a n d (N. H . CORBETT u. J. F. LEVY, 1963). Das E i n d r i n g e n der P e r f o r a t i o n s h y p h e n d ü r f t e enzymatisch vorbereitet werden, w o r a u f lytische Veränd e r u n g e n d e r Z e l l w ä n d e u m d i e B o h r l ö c h e r h e r u m h i n d e u t e n (Fig. 6). Das w e i t e r e W a c h s t u m i n n e r h a l b d e r S e k u n d ä r w a n d f ü h r t d a n n z u d e r A u s b i l d u n g der b e k a n n t e n K a v e r n e n (Fig. 7). I h r e F o r m e n - M a n n i g f a l t i g k e i t w u r d e v o n H . COURTOIS (1963) e i n g e h e n d b e a r b e i t e t . D i e K a v e r n e n s i n d o f t r a u t e n f ö r m i g bis l ä n g l i c h - l a n z e t t l i c h gestaltet, w o b e i die s p i t z k e g e l i g e n E n d e n b e i d e n N a d e l h ö l z e r n o f t e i n e n Ö f f n u n g s w i n k e l u m e t w a 50° haben. I m E l e k t r o n e n m i k r o s k o p ist j e d o c h z u e r k e n n e n , daß d i e b e i d e n E n d e n m e i s t n i c h t g l e i c h g e s t a l t e t sind, da d e r eine

Mikromorphologische Veränderungen beim Holzabbau durch Pilze

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Fig. 7. Kaverne i n durch Chaetomium globosum aufgespaltener Zellwand. — Fig. 8. Querschnitt durch eine Tracheide von Picea excelsa nach Befall durch Chaetomium globosum. — Fig. 9. Risse als Zeichen eines inneren Zellwandabbaues. — Fig. 10. Lamellenartiges A u f b l ä t t e r n einer durch den Braunfäulepilz Lenzites trabea abgebauten Zellwand. — Fig. 11. Lokaler Zellwandabbau durch Coniophora puteana. — Fig. 12. Abbaumuster durch Braunfäuleerreger auf der T e r t i ä r w a n d einer Tracheide von Crypto meria japonica.

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Winkel spitzer und der andere stumpfer geformt ist. Ferner werden auf der Tertiärwand oft noch Bruchlinien erkennbar, die die Kavernenbegrenzung fortführen und dann bogenförmig umschlagen (vgl. Fig. 12). Dieses lokale Einsinken der Tertiärwand deutet auf Abbauvorgänge auch außerhalb der eigentlichen Kavernen hin. Die einzelnen Kavernen liegen zumeist perlschnurartig hintereinander und sind durch Hyphenkanäle miteinander verbunden. M i t fortschreitendem Abbau w i r d die ganze Sekundärwand von Kavernen durchzogen, während Tertiärwand und Mittellamelle bis i n die letzten Abbaustadien erhalten bleiben (Fig. 8). Braunfäule

Die Erreger der Braunfäule verfügen über ein spezielles Fermentsystem, das den Abbau der Kohlenhydrate i n der Zellwand bewirkt. Ihre Hyphen wachsen i m Gegensatz zu den Moderfäulepilzen fast ausschließlich i m Zellumen auf der inneren Zellwand. Dennoch ist auch hier entlang der Hyphen keine enzymatische Veränderung der Tertiärwand bzw. der Warzenschicht sichtbar. Offenbar vermögen die ausgeschiedenen Enzyme nicht diese Wandsubstanzen direkt abzubauen. M i t zunehmendem Befall erscheinen jedoch Risse und Spalten i n der Nähe der Hyphen (Fig. 9). Dies deutet bereits auf einen Masseverlust hin, der durch einen enzymatischen Abbau der Sekundärwand verursacht sein muß. Die Zellwand spaltet nicht mehr zwischen den einzelnen Lamellen großflächig auf, sondern zerfällt schollenartig i n kleinere Bruchstücke (Fig. 10). Auch hier w i r d ein partieller Abbau der cellulosischen Mikrofibrillen deutlich. I n späteren Stadien werden i m Querschnitt Löcher und Höhlungen unterhalb der Tertiärwand sichtbar, die eine weitgehende Lysis anzeigen (Fig. 11). Man kann daraus schließen, daß die von den Hyphen ausgeschiedenen Enzyme durch die Warzenschicht und die Tertiärwand i n die überwiegend cellulosische Sekundärwand diffundieren und dort zu einem Abbau führen. Dieser erfolgt meist in Formen, die den Befallmustern der Moderfäule ähneln. Vom Lumen der Tracheide aus werden hintereinanderliegende, rautenförmige Kavernen sichtbar, die durch ein lokales Einsinken der widerstandsfähigen Tertiärwand i n die darunter befindlichen Höhlungen auffallen (Fig. 12). Innerhalb der Kavernen sind oft granuläre Restsubstanzen sichtbar. Eine höhere Resistenz der Tertiärwand gegenüber Braunfäulepilzen war bereits von H. MEIER (1955) gefolgert worden. Bei der von i h m als Tertiärwand angesprochenen Schicht dürfte es sich jedoch um eine Schleimhülle handeln, von der die Hyphen vielfach bedeckt sind (R. SCHMID U. W. LIESE, 1965). Die abgebildeten Hyphen würden dann nicht unterhalb einer emporgewölbten Tertiärwand wachsen, sondern dieser

Mikromorphologische Veränderungen beim Holzabbau durch Pilze

Fig. 13. Lytischer Zellwandabbau eines Gefäßes von Fagus sylvatica durch den Weißfäulepilz Polystictus versicolor. — Fig. 14. Lamellenartiges Aufblättern der Zellwand bei Fagus sylvatica nach Befall durch Polystictus versicolor. — Fig. 15. Abbau von Kernholz (Pinus sylvestris) durch den Weißlochfäulcpilz Trametes pini. — Fig. 16. Hyphe von Fomes annosus nach Durchwachsen einer Tracheidenwand von Picea excelsa. — Fig. 17. Aufgespaltene Sekundärwand von Chamaecyparis Lawsoniana mit zwei Lamellen verschiedener Streichrichtung. — Fig. 13. Aufgespaltene Sekundärwand von Abies firma m i t drei Lamellen verschiedener Streichrichtung.

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aufliegen. Bei unseren ausgedehnten Untersuchungen haben w i r zwar bisweilen Hyphen innerhalb der Sekundärwand gefunden, doch niemals direkt unterhalb der Tertiärwand lokalisiert. Auch in den Kavernen befinden sich i n der Regel keine Hyphen. Meist können die Enzyme i n der Zellwand noch weiter diffundieren, da oft Kavernen i n Bereichen vorkommen, die frei von Hyphen sind. Die morphologisch den Moderfäule-Kavernen oft ähnlichen Befallmuster der Braunfäule entstehen bei der Moderfäule nur durch direkten Hyphenkontakt, während bei Braunfäulepilzen das i m Zellumen gebildete Enzymgemisch i n die Zellwand diffundiert und räumlich von der Hyphe entfernt w i r k t . Weißfäule

Weißfäulepilze vermögen m i t ihren Ektoenzymen alle Bestandteile der verholzten Zellwand anzugreifen, wobei das Holz in Kulturversuchen vollständig abgebaut werden kann. I n den ersten Befallstadien sind nur wenige Wanddurchbohrungen zu beobachten. Sie werden zunehmend größer und flächiger und zeigen damit einen lytischen Abbau an. Die Zellwände werden vom Lumen her aufgelöst und die einzelnen Schichten offensichtlich lageweise angegriffen. Beiderseits der Hyphen entstehen durch enzymatische Auflösung Lysiszonen mit begrenztem Rand, die auch die gegen Braunfäulepilze resistente Warzenschicht und Tertiärwand erfassen (Fig. 13). Innerhalb dieses Bereiches sind kaum Restsubstanzen sichtbar. Die Zellwandbestandteile werden anscheinend durch die Ektoenzyme schnell und weitgehend abgebaut und von den Hyphen sogleich aufgenommen. Dies unterstützt die biochemischen Ergebnisse v o n E. B . COWLING (1961), w o n a c h d i e W a n d s u b s t a n z e n

nur

soweit depolymerisiert werden, wie die Abbauprodukte i m pilzlichen Stoffwechsel verwertbar sind. Benachbarte Lysiszonen können ineinander übergehen, so daß die Oberfläche der Zellwand dann kanalartig erodiert erscheint. I m fortgeschrittenen Stadium werden die Zellwände zunehmend m i t spindelförmigen Höhlungen wabig aufgelockert, wobei die Wandlamellen schollenförmig zerfallen (Fig. 14). Der Abbau w i r d durch die stark verholzte Mittellamelle gehemmt. Die sichtbare Befallgrenze verläuft häufig entlang dieser Schicht. Auch die Zellzwickel sind i n gleicher Weise resistenter. Außer dieser, lokal auf die Hyphen begrenzten vollständigen Auflösung der Wandsubstanzen vom Lumen aus findet auch eine Diffusion bestimmter Enzyme innerhalb der Sekundärwand statt. Dies äußert sich i n Form von Rissen und kavernenförmigen Abbaumustern. Man kann daraus schließen, daß an diesen Stellen ein bevorzugter Abbau von Kohlenhydraten stattfindet. Derartige Kavernen sind auch i m Lichtmikroskop besonders bei Nadelholzarten deutlich zu erkennen und ergeben hier einen Befalltyp, der einer Moderfäule ähnlich sein kann.

Mikromorphologische Veränderungen b e i m Holzabbau durch Pilze

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Bei einigen zu den Weißfäulepilzen zählenden Arten, wie Polystictus abietinus, w i r d die Ähnlichkeit i m Erscheinungsbild noch dadurch erhöht, daß die Tertiärwand widerstandsfähiger ist. Dennoch entspricht das makroskopische Erscheinungsbild dem einer Weißfäule. Weißlochfäule

Pilze einer Weißlochfäule verursachen einen stufenweisen Abbau der Wandkomponenten, wobei zunächst das Lignin herausgelöst wird. Die Cellulosefibrillen werden hierbei gleichsam demaskiert und treten deutlicher hervor (Fig. 15). Die Hyphen durchwachsen bei einer Weißlochfäule oft die Zellwände. Sie bilden hierzu eine Hyphenform aus, die der Perforationshyphe der Moderfäulepilze gleicht. Die Bohrlöcher weisen an ihrem Rand lytische Veränderungen auf, so daß die M i t w i r k u n g enzymatischer Abbauvorgänge beim Durchwachsen als sicher gelten kann (Fig. 16). Als Befallmuster entstehen i n der Zellwand rhomboide Abbaufiguren, die jedoch größer sind als diejenigen anderer holzzerstörender Pilze. Bei fortschreitendem Abbau w i r d die Zellwand lamellar aufgefächert und kollabiert dann beim Trocknen. Diskussion

Die elektronenmikroskopischen Beobachtungen geben Einblick i n die morphologischen Zustände beim Abbau der Zellwände durch Pilze und erweitern das B i l d lichtoptisch erfaßbarer Veränderungen (W. W. WILCOX, 1965). Derartige Aussagen sind naturgemäß rein deskriptiv und müssen zum Verständnis des Entwicklungsablaufes i n richtiger Folge zusammengefügt werden. Es werden zudem nur Veränderungen auf der Ebene der Mikrofibrillen erfaßbar, nicht dagegen der hydrolytische Abbau der Cellulose selbst. Die Ergebnisse zeigen, daß verholzte Zellwände von den einzelnen Pilzgruppen i n unterschiedlicher Weise angegriffen und verändert werden. Überblickt man aber insgesamt die verschiedenen Abbauformen, so lassen sich diese verallgemeinernd in einige wenige Typen gruppieren, die für das Passieren der Zellwand und den enzymatischen Abbau gelten. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß es sich zunächst um eine relativ grobe Typisierung handelt, die nicht die Vielfalt der enzymatischen Abbauvorgänge erfassen kann. Sie soll jedoch als Schema zur Diskussion und Einordnung weiterer Befunde anregen: 1. Zellwanddurchbruch mittels eines Transpressoriums (Bläuepilze); mögliches Zusammenwirken von mechanischen Kräften und enzymatischen Abbauvorgängen, wobei eine Enzymproduktion lokalisiert von der Spitze des Transpressoriums ausgehen dürfte.

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2. Eindringen bzw. Durchwachsen mittels Perforationshyphen (Moderfäulepilze, Braunfäulepilze, Weißlochfäulepilze, weniger Weißfäulepilze). Vorwiegend enzymatische Vorgänge, die lokalisiert und zeitlich begrenzt sind; Enzymausscheidung apikal und subterminal. 3. Lysis bestimmter Zellwandsubstanzen (Kohlenhydrate) innerhalb der Sekundärwand; die Pilzenzyme diffundieren meist durch die Tertiärwand (Moderfäulepilze, Braunfäulepilze, seltener Weißfäulepilze). Als Abbaumuster entstehen Kavernen. 4. Stufenweise Lysis der Wandsubstanzen, wobei zuerst die Matrix (Lignin) gelöst w i r d und dann die cellulosischen Mikrofibrillen freigelegt werden (Weißlochfäulepilze). 5. Lysis der gesamten Zellwandsubstanzen längs der Hyphen durch einen kanalartigen, großflächigen Wandabbau (Weißfäulepilze). Aus den bisherigen Ergebnissen lassen sich einige Schlußfolgerungen über die Wirkungsweise der Ektoenzyme ableiten. Perforationshyphen und auch Transpressorien, die eine verholzte Zellwand durchdringen, dürften ihre Enzyme vor allem apikal ausscheiden. Die Enzymproduktion ist nicht nur lokal, sondern auch zeitlich begrenzt, die laterale Diffusion beschränkt. Während die Transpressorien etwa so breit sind wie der zugehörige Wandkanal, ist dieser bei den Perforationshyphen deutlich größer. Die Hyphen selbst scheinen ihre Enzyme vor allem i n der Spitzenregion zu bilden. Da die Größe der Lysiszonen entlang den Hyphen etwa gleich bleibt, dürfte die Enzymbildung auch zeitlich beschränkt sein. Das würde bedeuten, daß ein fortschreitender Substanzverlust beim Pilzangriff vor allem durch neu gebildete Hyphen verursacht wird. Aus den elektronenmikroskopischen Aufnahmen ergibt sich, daß zum Zellwandabbau kein direkter Kontakt der Hyphen m i t dem Substrat erforderlich ist. Vielmehr können die Enzyme innerhalb der Zellwand diffundieren und auch räumlich von den Hyphen entfernt wirksam werden. Hierbei ist die axiale Diffusionsfähigkeit stärker als die laterale. Zwischen den einzelnen Enzymkomplexen bestehen Unterschiede i m Diffusionsvermögen. Ligninabbauende Enzyme scheinen i n geringerem Maße diffundieren zu können als Cellulasen und diese wiederum weniger als Hemicellulasen. Die Ursache hierfür könnte u. a. die molekulare Dimension der Enzyme sein, über die jedoch noch wenig bekannt ist. Das Diffusionsvermögen der Enzymkomplexe kann auch durch Zelltyp und Holzart beeinflußt werden, wofür u. a. die Größe der Zellwandkapillaren sowie der inter- und intrafibrillären Räume bes t i m m e n d i s t (E. B . COWLING, 1963). A u c h B e f a l l u n t e r s c h i e d e

zwischen

Laub- und Nadelhölzern können teilweise hiermit erklärt Weitere Untersuchungen sind jedoch notwendig.

werden.

Mikromorphologische Veränderungen b e i m Holzabbau durch Pilze

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Der Abbau der cellulosereichen Sekundärwand prägt sich i n typischen Kavernen aus, die nicht nur bei Moderfäulepilzen vorkommen, sondern auch bei Erregern der Braunfäule und Weißfäule (W. LIESE U. R. SCHMID, 1962). Sie können sehr mannigfaltig gestaltet sein, wobei die jeweils beobachtete Form meist als ein Entwicklungszustand betrachtet werden muß. Dennoch ist ihr Grundtyp erstaunlich gleichartig. Meist sind sie rhombenförmig oder rautenförmig gestaltet, mit einem Öffnungswinkel zwischen 40 bis 70°. Über die Entstehung dieser auffallenden Abbaumuster wurde noch keine einheitliche Auffassung erzielt (P. A. ROELOFSEN, 1956). Eine mögliche Deutung läßt sich aus dem fibrillären und lamellaren Aufbau der Sekundärwand ableiten. Sie besteht aus einer größeren Zahl von Elementarlamellen m i t einer oft unterschiedlichen Orientierung der Mikrofibrillen (Fig. 17, 18). Das i n die Zellwand eindringende Enzymgemisch w i r d sich wahrscheinlich nicht innerhalb einer Lamelle, sondern zwischen den Lamellen ausbreiten, wobei Zellwandkapillaren von Einfluß sein können. Hierbei werden dann beide Schichten abgebaut, und der Verlauf der Abbauzone w i r d von der Richtung der jeweiligen Mikrofibrillen bestimmt. Zwischen verschieden orientierten Lamellen ergibt sich zwangsläufig eine Abbaufigur aus doppelseitig spitz zulaufenden Kavernen. Der Öffnungswinkel entspricht damit dem Unterschied i n der Orientierung derjenigen beiden Lamellen, die am weitesten abgebaut sind. I m Längsschnitt befallener Zellwände ist erkennbar, daß die Kavernen keineswegs gleichmäßig tief sind, sondern oft flach ausstreichen. A n dieser Stelle dürfte der Öffnungswinkel der Kaverne geprägt werden. Die Form der Kavernen würde demnach von der Orientierung der Mikrofibrillen und deren Abbaugeschwindigkeit durch die Cellulasen bestimmt, wobei Zellwandkapillaren m i t w i r k e n könnten. Eine weitere Eigenart der Kavernen ist ihre auffallend rhythmische, meist perlschnurartige Ausbildung. Es ist weniger anzunehmen, daß dies auf einer morphologischen oder chemischen Heterogenität der Wandsubstanzen beruht. Auch ein morphologisch bedingtes Ausbleiben der Enzymsynthese durch die Hyphen, etwa entlang der Septen, dürfte hierfür kaum in Betracht kommen; Weißfäulepilze zeigen auch längs der Septen einen Zellwandabbau. Wahrscheinlich führen vielmehr stoffwechselphysiologische Ursachen zu einer diskontinuierlichen Enzymausscheidung durch die Hyphen. Sie können auf einer zeitweiligen Blockierung der Enzymsynthese in der Hyphe beruhen. Eine solche Hemmung des pilzlichen Stoffwechsels ist durch toxisch wirkende Stoffwechselprodukte oder toxische Zwischen- oder Nebenprodukte beim Zellwandabbau denkbar. Hierfür spricht die Beobachtung, daß die Abbauleistung der meisten Moderfäulepilze mit zunehmender Holzfeuchtigkeit ansteigt, indem möglicherweise durch einen höheren Wasser-

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W a l t e r Liese

gehalt des Holzes wachstumshemmende Stoffwechselprodukte

leichter

e n t f e r n t w e r d e n ( W . LIESE U. U . AMMER, 1964). V e r s u c h e m i t

Stereum

purpureum zeigten zudem, daß bei reichlichem Wasserangebot die Kavernen länger gestaltet sind als i n trockenerem Holz. Dies kann dahingehend gedeutet werden, daß bei höherer Feuchtigkeit eine bessere Diffusion und eventuell eine länger anhaltende Enzymausscheidung erfolgt. Die Untersuchungen haben schließlich eine deutliche Abhängigkeit der enzymatischen Befallstrukturen von dem morphologischen und chemischen Zellwandaufbau gezeigt. So sind Ligningehalt und Ligninverteilung wichtig für A r t , Form und Geschwindigkeit des Wandangriffs. Der Ligninanteil bestimmt bei Braunfäule- und Moderfäulepilzen entscheidend den Zellwandabbau und beeinflußt ihn deutlich bei Weißfäuleerregern. Der submikroskopische Feinbau, insbesondere die Schichtung von Cellulose, Hemicellulose und Lignin, steuert den Abbauvorgang und dürfte zur Entstehung der typischen Kavernen beitragen. Auch physicochemische Unterschiede i m Zellwandaufbau zwischen Nadel- und Laubhölzern wirken auf die Wandzersetzung, wie es z. B. die unterschiedliche Resistenz der Tertiärwand zeigt. Die Deutung des i m Elektronenmikroskop erfaßbaren statischen Befallzustandes kann damit zu weiteren Vorstellungen über den Ablauf des enzymatischen Zellwandabbaues führen. Zusammenfassung Der enzymatische A b b a u verholzter Z e l l w ä n d e durch Pilze f ü h r t i m submikroskopischen Bereich zu verschiedenen A b b a u f o r m e n . D i e Befallmuster w e r d e n v o n Fermentsystem u n d W a n d s t r u k t u r b e s t i m m t . Bläuepilze v e r ursachen keine Lysis der Wandsubstanzen; die Z e l l wände w e r d e n v o n besonders gestalteten Transpressorien durch Z u s a m m e n w i r k e n v o n mechanischen K r ä f t e n u n d enzymatischen A b b a u v o r g ä n g e n durchdrungen. Moderfäulepilze lösen die S e k u n d ä r w a n d i n F o r m typisch gestalteter K a v e r n e n auf, w ä h r e n d die T e r t i ä r w a n d meist resistenter ist. Braunfäuleerreger greifen die W a n d substanzen v o m Z e l l u m e n aus an; die Enzyme diffundieren durch die T e r t i ä r w a n d i n die S e k u n d ä r w a n d u n d f ü h r e n hier oft zu kavernösen A b b a u s t r u k turen. Weißlochfäulepilze greifen dagegen die Wandsubstanzen sukzessive an, w ä h r e n d bei der Weißfäule die Z e l l w a n d i n Lysiszonen längs der H y p h e n v o l l s t ä n d i g abgebaut w i r d . D i e Befunde w e r d e n d i s k u t i e r t hinsichtlich Ausscheidung u n d W i r k u n g s weise der Ektoenzyme, Entstehung der K a v e r n e n u n d Einfluß der Z e l l w a n d s t r u k t u r e n auf den enzymatischen Wandabbau. Summary Micromorphological changes of wood through the decomposition caused by fungi The enzymatic degradation of lignifled cell w a l l s b y f u n g i leads to various submicroscopic deterioration features. T h e i r different forms are d e t e r m i n e d

Mikromorphologische Veränderungen beim Holzabbau durch Pilze

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by the ferment system as w e l l as the cell w a l l texture. Sap stain fungi cause no lysis of w a l l substances; the cell walls are penetrated by specially constructed transpressoria i n combination of mechanical forces and enzymatical processes. Soft rot fungi attack m a i n l y the secondary wall, thus producing typical cavities; the tertiary w a l l i n softwood species is more resistent. B r o w n rot fungi start their decaying process from the cell lumen; the enzymes diffuse through the tertiary w a l l into the secondary wall, and frequently lead to the formation of c a v i t y - l i k e decay structures. Pocket rot fungi, on the other hand, attack the w a l l substances successively, whereas i n the case of w h i t e rot the cell w a l l is completely decomposed i n the form of lysis zones along the hyphae. The results of these investigations are discussed w i t h particular reference to secretion and action of ectoenzymes, formation of cavities and the influence of cell w a l l structures on the enzymatic degradation of the wall. Résumé Des transformations micromorphologiques pendant la réduction du bois attaqué par des champignons L a réduction enzymatique des membranes cellulaires lignifiées, attaquées par des champignons, f i n i t par le développement de diverses formes submicroscopiques de décomposition. L'attaque se dessine suivant le système enzymatique y relatif et suivant la structure des membranes. L a pourriture bleue ne cause aucune décomposition dans les tissus membraneux; les membranes cellulaires sont traversées par certaines formes transpressoires, résultant de l'ensemble des forces mécaniques et des réductions enzymatiques. Les Champignons de pourriture molle décomposent les membranes secondaires en formant des cavernes caractéristiques, tandis que, généralement, les membranes tertiaires sont de plus forte résistance. Les champignons de pourriture brune attaquent les tissus membraneux dès le lumen cellulaire; par diffusion, les enzymes traversent les membranes tertiaires et entrent dans les membranes secondaires où se produit une décomposition caverneuse. L a pourriture blanche caverneuse attaque les membranes successivement, tandisque l'attaque des champignons de pourriture blanche achève la décomposition des membranes cellulaires le long des filaments des hyphes. La discussion des résultats s'occupe de la production et de l'action des ectoenzymes, du développement des cavernes et de l'influence du type membraneux sur la décomposition enzymatique des membranes. Schrifttum Ν . Η . , und L E V Y , J. F . : Penetration of tracheid walls of Pinus sylvestris L. (Scots Pine) by Chaetomium globosum Kunz. Nature 198 (1963), 1322—1323.

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WILCOX,

Anschrift des Verfassers: Professor Dr. W. L I E S E 2057 Reinbek Schloß Bundesrepublik Deutschland

Einfluß der Weißfäulepilze auf die Ultrastruktur äußerer Zellwandschichten V o n VLADIMIR NECESANY Staatliches I n s t i t u t f ü r Holzforschung, B r a t i s l a v a (Tschechoslowakei)

Obwohl unsere Kenntnisse über die Holzzerstörung durch Pilze in den letzten Jahren durch zahlreiche Forschungsarbeiten wesentlich erweitert wurden, bleiben auf diesem Gebiet noch verschiedene ungelöste Fragen besonders i m Hinblick auf die Biologie der Holzzerstörer. M i t der vorliegenden Arbeit soll das Interesse auf eine dieser Fragen gelenkt werden. Es ist allgemein bekannt, daß neben den „celluloseabbauenden" Pilzen, die bevorzugt die Kohlenhydrate angreifen und andere Bestandteile des Holzes fast unverändert zurücklassen, eine große Gruppe „ligninabbauender" Pilze besteht, die jedoch außer dem L i g n i n auch alle anderen Bestandteile der verholzten Zellwand zu zersetzen vermögen (V. RYPÀCEK, 1957). Bei dieser Gruppe ist besonders bemerkenswert, daß artspezifische Unterschiede i m Verlauf der Holzzerstörung u. a. insofern bestehen, als der Abbau der einzelnen Zellwandbestandteile nicht immer i n gleicher Folge fortschreitet. Obwohl diese Unterschiede bekannt sind, reichen die bisherigen Befunde noch nicht für eine exakte Unterteilung dieser Weißfäulegruppe nach ernährungsphysiologischen Gesichtspunkten aus. Durch das Fehlen zuverlässiger analytischer Methoden ist die Lösung der Frage ziemlich kompliziert. Da die Zusammensetzung verholzter Zellwände heute recht gut bekannt ist, lassen sich aber auch durch elektronenmikroskopische Untersuchungen der Feinstruktur zerstörter Zellwände wesentliche Erkenntnisse zur Klärung dieses Problems gewinnen. M i t der vorliegenden Arbeit w i r d der Versuch unternommen, gewisse Prinzipien für eine Aufgliederung der Gruppe ligninabbauender Pilze auf Grund der Feinstrukturveränderungen verholzter Zellwände herauszustellen.

28

V l a d i m i r Necesany M a t e r i a l und M e t h o d i k

F ü r die enzymatischen Untersuchungen wurde Fichtenholz (Picea excelsa L i n k ) verwendet. Die W i r k u n g der Pilzenzyme auf M i t t e l l a m e l l e und P r i m ä r w a n d wurde an den Oberflächen von Tracheiden untersucht, welche durch Mazeration m i t Franklinschem Reagens (Kochen m i t Wasserstoffperoxyd + Eisessig 1 :1) freigelegt worden waren. Die E n z y m w i r k u n g auf die I n n e n s c h i c h t d e r S e k u n d ä r w a n d (S^) wurde an Oberflächen dünner Radialschnitte untersucht. Die folgenden zur Untersuchung der Enzymaktivitäten verwendeten P i l z a r t e n stammen aus der Tschechoslowakischen Sammlung holzzerstörender Pilze des Instituts für Pflanzenphysiologie u n d Genetik der P u r k y n e - U n i versität i n B r ü n n (IPB; Katalog 1964) u n d aus der Sammlung der M i k r o biologischen A b t e i l u n g des Norwegischen Landwirtschaftlichen Instituts i n Vollebekk ( L A V ) : Ganoderma applanatum, Pers., Pat. (IPB Nr. 38), Ganoderma lucidum Lays., Karst. (IPB Nr. 114), Gloeoporus adustus Willd., Pilät (IPB Nr. 36), Marasmius androsaceus Fr. (LAV), Marasmius scorodonius Fr. (LAV), Phellinus igniarius ssp. pomaceus Pers., Quél. (IPB Nr. 25), Phellinus pini Thore, Pilàt (IPB Nr. 68), Pleurotus ostreatus Jacq., Fr. (IPB Nr. 53), Schizophyllum commune Fr. (IPB Nr. 7), Trametes abietina Dick., Pilät (LAV), Trametes confragosa Bolt., Jörstad (IPB Nr. 90), Trametes heteromorpha Fr., Bres. (IPB Nr. 41), Trametes hirsuta Wulf., Pilät (IPB Nr. 33), Trametes suaveolens L., Fr. (IPB Nr. 129), Trametes versicolor L. ex Fr., Pilät (IPB Nr. 14). Die Untersuchung der enzymatischen A k t i v i t ä t dieser fünfzehn A r t e n wurde auf die Anfangsphase der Zellwandzersetzung beschränkt. M i t der nachstehend beschriebenen Versuchsanordnung wurde das Holzgewebe ohne K o n t a k t m i t den Pilzhyphen n u r der E i n w i r k u n g von Ektoenzymen ausgesetzt. I n Reagenzgläsern w u r d e n befeuchtete Radialschnitte und jeweils etwa 0,3 g mazerierte Fasern bzw. Tracheiden m i t fünfzehn m l einer Nährlösung nach T . F U K U Z U M I ( 1 9 6 0 ) — modifiziert nach R. SOPKO ( 1 9 6 6 ) — überschichtet. Die Beimpfung wurde so vorgenommen, daß die Inocula auf der Flüssigkeitsoberfläche schwammen und keine Berührung m i t den untergetauchten Holzgewebe-Proben hatten. Nach vier Wochen K u l t u r d a u e r wurden die M y celien abgehoben. Holzschnitte und Fasern wurden gründlich m i t Leitungswasser gewaschen, getrocknet u n d m i t A u - P d schräg beschattet. Die A b drucke wurden elektronenmikroskopisch untersucht. Nicht beimpfte K o n trollen wurden i n gleicher Weise behandelt. Die O x y d a s e n - A k t i v i t ä t der Kulturflüssigkeit nach A b l a u f der K u l t u r d a u e r wurde m i t Guajacol als Substrat durch Extinktionsmessungen kolorimetrisch bestimmt.

Weißfäule u n d U l t r a s t r u k t u r äußerer Zellwandschichten

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Ergebnisse

Erwartungsgemäß wurde durch die Versuchsergebnisse die Auffassung bestätigt, daß die Anfangsphase der Zersetzung verholzter Zellwände durch Ektoenzyme nicht bei allen Arten ligninabbauender Pilze gleichartig verläuft; jedoch wurde keine vollständige Übereinstimmung mit den Ergebnissen anderer Arbeiten erzielt, und es ist nicht gelungen, einen eindeutigen Beitrag zu einer Klassifizierung der ligninabbauenden Pilze auf Grund physiologischer Merkmale zu liefern. Enzymwirkung

auf M i t t e l l a m e l l e n - R e s t e Primärwand

und

Die unterschiedliche Einwirkung der Ektoenzyme der untersuchten Pilze läßt sich i m Vergleich m i t der Kontrolle, bei welcher die Primärwandstruktur von einer feinkörnigen oder amorphen Restschicht der Mittellamelle überzogen war, folgendermaßen klassifizieren (Tab. 1): T a b . 1. Der Einfluß von Ektoenzymen auf den Abbau der Mittellamellen-Überreste an der Oberfläche der Tracheiden-Primärwand. Primärwand grobkörnig bedeckt

nicht freigelegt Mar. androsaceus Phel. igniarius pomac. Pleu. ostreatus Schiz. commune Tram. confragosa Tram, abietina

ä) b) c) d)

j ;

Phel. pini Tram. heteromorpha

teilweise freigelegt Gloe. adustus Gan. ; applanatum Gan. lucidum \ Tram. suaveolens

vollständig freigelegt Mar. j scorodonius ; Tram, hirsuta 1 Tram. 1 versicolor

wie Kontrolle: 6 Arten (Fig. 1). Primärwand mit grobkörniger Auflagerung: 2 Arten (Fig. 2). Primärwand teilweise freigelegt: 4 Arten. Primärwand vollständig freigelegt: 3 Arten (Fig. 3).

E n z y m w i r k u n g auf I n n e n - und M i t t e l s c h i c h t der S e k u n d ä r w a n d Die Klassifizierung des Abbaues der Sekundärwand ist gegenüber der Primärwand komplizierter und subjektiven Fehlern unterworfen.

V l a d i m i r Necesany

30

I m Vergleich mit der Kontrolle wurden folgende Kennzeichen für den Abbau i n Betracht gezogen (Tab. 2): T a b . 2. Der Einfluß von Ektoenzymen auf den Abbau der Tracheiden-Sekundärwand. S 3 geschlossen, nicht abgebaut

S 3 deutlich aufgelockert

S 2 deutlich aufgelockert

Gan. lucidum Mar. androsaceus Mar. scorodonius Schiz. commune Tram. heteromorpha Tram, confragosa

Gan. applanatum Pleu. ostreatus Tram, versicolor

Gan. applanatum Pleu. ostreatus

Grobkörnige Ablagerung an der Sekundärwand Phel.

pini

Ablösung von Schichten u n d L a m e l l e n der S3 und S2 Gan. applanatum Gloe. adustus Phel. pini Phel. igniarius pomaceus Pleu. ostreatus Tram, abietina Tram, hirsuta Tram. suaveolens Tram, versicolor

a) Innenschicht (S3) geschlossen, nicht abgebaut: 6 Arten (Fig. 4). b) Innenschicht (S3) deutlich aufgelockert: 3 Arten (Fig. 5). c) Mittelschicht (S2) deutlich aufgelockert: 2 Arten. d) Schichten und Lamellen der S2 und S3 voneinander gelöst: 9 Arten. e) Grobkörnige Ablagerung an der Oberfläche der Sekundärwand: 1 A r t (Fig. 6). I m Gegensatz zum Primärwandabbau finden sich hier häufiger Kombinationen der Abbaumerkmale bei den verschiedenen Pilzarten.

Oxydasen -Aktivität Die Ergebnisse des Oxydasentests sind i n Tab. 3 zusammengefaßt. Acht Arten zeigten schwache, vier Arten mittelstarke und drei Arten starke Aktivität. I n diesem Zusammenhang sei auch auf die Unters u c h u n g e n ü b e r p h e n o l i s c h e A b b a u p r o d u k t e v o n R . SOPKO (1966)

hin-

gewiesen, welche mit denselben Pilzstämmen auf Buchenholzmehl unter vergleichbaren Versuchsbedingungen vorgenommen wurden.

Weißfäule u n d U l t r a s t r u k t u r äußerer Zellwandschichten

Fig. 1. Bedeckte P r i m ä r w a n d nach E i n w i r k u n g von Marasmius

31

androsaceus.

Fig. 2. Grobkörnig bedeckte P r i m ä r w a n d nach E i n w i r k u n g von Trametes heteromorpha.

32

V l a d i m i r Necesany

Fig. 3. Vollständig freigelegte P r i m ä r w a n d nach E i n w i r k u n g von Trametes versicolor .

Fig. 4. Unveränderte, geschlossene S 3 nach E i n w i r k u n g von Trametes heteromorpha .

Weißfäule u n d U l t r a s t r u k t u r äußerer Zellwandschichten

Fig. 5. Deutlich aufgelockerte S3 nach E i n w i r k u n g von Trametes

33

versicolor.

Fig. 6. Grobkörnige Ablagerung auf S 3 und S 2 nach E i n w i r k u n g von Phellinus pini. 3 Material und Organismen, Beiheft 1

V l a d i m i r Necesany

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T a b . 3. Oxydasenaktivität der untersuchten ligninabbauenden Pilzarten. Aktivität schwach :

Extinktion Aktivität 0,01 bis 0,50 mittelstark:

Gan. applanatum Gan. lucidum Gloe. adustus Phel. igniarius pomac. Pleu. ostreatus Schiz. commune Tram, confragosa Tram, heteromorpha

0,33 0,20 0,41

Extinktion 0,51 bis 1,50

Phel. pini Tram, abietina Tram, hirsuta Tram, suaveolens

1,44 1,48 0,64 0,70

—s— Aktivität ! Extinktion stark: j 1,51 u. mehr Mar. androsaceus Mar. scorodonius Tram, versicolor

3,44 1,80 2,36

0,20 0,40 0,09 0,34 0,02

Diskussion

Die Veränderungen der Zellwandstruktur unter der Einwirkung ligninabbauender Pilze wurden schon mehrfach lichtmikroskopisch ( L . JURÄSEK, 1 9 6 4 ) und elektronenmikroskopisch ( H . M E I E R , 1 9 5 5 ; V. NECESANY u n d L . JURÀSEK, 1 9 5 6 ; V . NECESANY, 1 9 6 3 ; V . NECESANY u n d

J.

und W . L I E S E , 1 9 6 4 ) untersucht, jedoch war die Artenauswahl für eine Aufteilung nach Abbaumerkmalen noch zu gering. M i t der Prüfung von fünfzehn Pilzarten war nach unserer Auffassung schon eher die Möglichkeit gegeben, zu gewissen physiologischen Klassifizierungsprinzipien zu gelangen. CETLOVÄ, 1 9 6 3 ; R . S C H M I D

Bei unseren Untersuchungen wurde nur der Anfangsabbau erfaßt, und zwar an beiden Oberflächen der Zellwand. Die chemische und morphologische Zusammensetzung dieser beiden Zellwandschichten ist prinzipiell bekannt. Die P r i m ä r w a n d besteht aus einem relativ sehr dünnen mikrofibrillären Gitter, dessen interfibrilläre Räume mit L i g n i n ausgefüllt sind. Die Oberflächen der durch milde Mazeration freigelegten Tracheiden, d. h. ihre Primärwände, sind m i t feinkörnigen oder amorphen Überresten der Mittellamelle bedeckt. Diese Ablagerung besteht vor allem aus Pektin Stoffen, welche wahrscheinlich einerseits mit Cellulosemikrofibrillen und andererseits mit Lignin verbunden sind (V. NEÖESANY, 1 9 6 4 ) ; es wurde schon früher nachgewiesen, daß ein ligninlösendes M i t t e l diese Ablagerung nicht vollständig zersetzen kann. Die innere Oberfläche der verholzten Zellwand, welche morphologisch als I n n e n s c h i c h t d e r S e k u n d ä r w a n d oder als T e r t i ä r w a n d (W. L I E S E , 1960) bezeichnet wird, ist anders als die Primärwand aufgebaut. Die Schichten der Zellwand, die für die erste Berührung

Weißfäule u n d U l t r a s t r u k t u r äußerer Zellwandschichten

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mit den Pilzektoenzymen in Betracht kommen, d. h. die Innenschicht und auch die Zentralschicht (S2), besitzen i m Vergleich m i t der Primärwand und der Mittellamelle dicht gepackte, parallel orientierte Mikrofibrillen (mit Cellulosekern und parakristallinem Hemicellulosenmantel wie i n der Primärwand) bei verhältnismäßig geringem Volumen an zwischenfibrillären Räumen. Jedoch ist die Innenschicht mehr verholzt als die Zentralschicht der Sekundärwand. Die vorhandene Ligninmenge vermag die mikrofibrilläre Struktur fest zusammenzukleben. Versuchen w i r jetzt die submikromorphologisch charakterisierten Abbautypen auch physiologisch zu beurteilen. Der Abbau der Auflagerung auf der Primärwand-Oberfläche und die Freilegung der Primärwand zeigen auf den ersten Blick keine deutliche Beziehung zur Oxydasen-Aktivität (Tab. 3). Während einerseits die Pilze mit geringer Abbauintensität auch vorwiegend der Gruppe mit schwacher OxydasenA k t i v i t ä t angehören, besitzen andererseits nicht alle Arten mit stärkerer Oxydasen-Aktivität auch die Fähigkeit zu stärkerem Abbau. Vergleichen w i r noch die Freilegung der Primärwand mit der Menge phenolischer Abbauprodukte nach den Ergebnissen von R. SOPKO (1966), so finden w i r noch weniger deutliche Beziehungen. Auch beim Vergleich des Abbaues mit der Affinität der Pilzarten zu Laub- oder Nadelhölzern ergaben sich keine klaren Unterschiede zwischen Laub- und NadelholzSpezialisten. Nach den zuvor genannten Ergebnissen ist anzunehmen, daß ein deutlicher Abbau der Mittellamellen-Überreste an der Tracheiden-Oberfläche, deren hoher Pektingehalt bekannt ist, nur von Pilzarten mit hoher pektinabbauender Enzymaktivität verursacht werden kann. Tab. 1 wäre damit als Übersicht über die unterschiedlichen Aktivitäten der untersuchten Pilzarten hinsichtlich des enzymatischen PektinAbbaues zu betrachten. Diese Daten sollten aber noch durch chemische Analysen der Abbauprodukte überprüft werden. Richten w i r jetzt unsere Aufmerksamkeit auf den Abbau der Sekundärwand. A u f Grund der Abbauerscheinungen konnte nur bei neun von den fünfzehn untersuchten Pilzarten (Ganoderma applanatum, Gloeoporus adustus, Phellinus igniarius ssp. pomaceus, Ph. pini , Pleurotus ostreatus, Trametes abietina , Τ. hirsuta, Τ. suaveolens und T. versicolor) während der kurzen Zeit von vier Wochen eine deutliche Abbaufähigkeit festgestellt werden. Bei diesen Pilzen ergibt sich eine verhältnismäßig klare Beziehung zwischen der Abbauintensität und den von R. SOPKO (1966) für die gleichen Arten ermittelten höheren Mengen an Vanillinsäure und Syringasäure. Dagegen bestehen keinerlei deutliche Beziehungen der Abbauerscheinungen zum Gesamtvorkommen phenolischer Abbauprodukte und zur Oxydasen-Aktivität. Auch zwischen der Freilegung der Primärwand und dem Sekundärwand-Abbau 3*

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V l a d i m i r Necesany

s i n d k e i n e Z u s a m m e n h ä n g e e r k e n n b a r . Dies k a n n als eine B e s t ä t i g u n g f ü r d e n verschiedenen chemischen C h a r a k t e r der b e i d e n m o r p h o l o g i schen B e s t a n d t e i l e der Z e l l w a n d u n d der diese a b b a u e n d e n E n z y m systeme angesehen w e r d e n . D i e T y p e n - E i n t e i l u n g des S e k u n d ä r w a n d - A b b a u e s (Tab. 2) ist t r o t z d e u t l i c h e r U n t e r s c h i e d e noch als z u s u b j e k t i v z u b e w e r t e n . B e m e r k e n s w e r t ist das V o r k o m m e n g r o b k ö r n i g e r A b l a g e r u n g e n an der P r i m ä r w a n d sowie a n der Oberfläche der S e k u n d ä r w a n d . Jedoch t r i t t dieses M e r k m a l n u r v e r e i n z e l t auf u n d k a n n daher n i c h t z u r K l a s s i f i z i e r u n g des A b b a u e s v e r h o l z t e r Z e l l w ä n d e d u r c h P i l z e herangezogen w e r d e n . A u c h k a n n diese E r s c h e i n u n g k a u m als n a t i v e W a r z e n s t r u k t u r gedeutet w e r d e n , da sie nach E i n w i r k u n g v o n Phellinus pini a n der Oberfläche aller freigelegten Zellwandbestandteile gefunden wurde.

Zusammenfassung Die Annahme, daß sich i m Anfangsstadium der Zersetzung verholzter Zellwände durch Ektoenzyme Merkmale zur A u f k l ä r u n g des Abbaumechanismus der ligninabbauenden Pilze und zu ihrer Klassifizierung zeigen könnten, wurde elektronenmikroskopisch an den Strukturen der äußeren und inneren Oberflächen der Tracheidenzellwände von Fichtenholz (Primärwand, Innenschicht der Sekundärwand) überprüft. Die Ergebnisse entsprachen den Erwartungen nicht i n vollem Maße, trotzdem wurden manche zweifellos anregenden Erkenntnisse gewonnen. Die Fähigkeit, Uberreste der Mittellamelle zu lösen u n d auf diese Weise die P r i m ä r w a n d - S t r u k t u r freizulegen, besitzen ligninabbauende Pilzarten nicht i n gleichem Maße. Es w i r d vermutet, daß i m extracellulären Enzymsystem derjenigen Pilze, welche die P r i m ä r w a n d mehr oder weniger freilegen können, schon i m Anfangsstadium der Holzzerstörung pektinabbauende Enzyme enthalten sind. Die hier vorausgesetzte Fähigkeit zum A b b a u der Pektine der M i t t e l lamelle scheint i n keiner Beziehung zum gleichzeitig verlaufenden A b b a u des Lignins insgesamt u n d speziell i n den inneren Schichten der Sekundärwand (S 3 u n d S.2) zu stehen. Auch zum Ausmaß der O x y d a s e n - A k t i v i t ä t besteht keine Beziehung. Die Fähigkeit, das L i g n i n besonders i n der Sekundärwand zu zersetzen und auf diese Weise die M i k r o f i b r i l l e n vor allem i n der Innenschicht der Sekundärwand aus ihrer festen Bindung zu lösen, w i r d wahrscheinlich unabhängig v o m P e k t i n - A b b a u von einer anderen Komponente des Enzymsystems der Pilze reguliert. Der elektronenmikroskopisch festgestellte A b b a u stimmt quantitativ m i t der Menge gewisser phenolischer Abbauprodukte ( V a n i l l i n säure, Syringasäure) überein. Die Oxydasen-Aktivität, die häufig als A n zeiger für die Befähigung zum L i g n i n - A b b a u bewertet w i r d , entspricht nicht den elektronenmikroskopisch erzielten Befunden. Die Ergebnisse unseres Versuches, die Abbbauerscheinungen i n der Sekundärwand zu klassifizieren, sind als zu subjektiv zu betrachten. Die grobkörnigen Ablagerungen an der Oberfläche der P r i m ä r w a n d bzw. der Sekundärwand die nach der E i n w i r k u n g zweier Pilzarten festgestellt

Weißfäule u n d U l t r a s t r u k t u r äußerer Zellwandschichten

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wurden, sind zwar interessant, jedoch können aus diesen nur vereinzelt auftretenden Merkmalen noch keine Folgerungen gezogen werden. Zusammenfassend k a n n gesagt werden, daß auch bei einer Zahl von f ü n f zehn Pilzarten, wie sie von uns analysiert wurden, elektronenmikroskopische Untersuchungen allein nicht zur Beurteilung der Physiologie des ZellwandAbbaues und zur Klassifizierung der A r t e n ausreichen.

Summary The influence of white rot fungi on the ultrastructure of outer cell wall layers The supposition that symptoms could be recognized i n the i n i t i a l stage of disintegration of lignified cell walls by ectoenzymes for elucidation of the degradation-mechanism of lignin-decomposing fungi and for their classification was examined electron microscopically on structures of the outer and inner surfaces of the tracheid cell walls of spruce wood (primary wall, inner layer of the secondary wall). The results did not w h o l l y agree w i t h the expectations but there was found some doubtless stimulating knowledge. There exists some difference between species of lignin-degrading fungi i n the a b i l i t y of decomposing residues of the middle lamella and to lay open the structure of the p r i m a r y w a l l i n this way. I t is supposed that pectindecomposing enzymes are present already i n the i n i t i a l stage of wooddeterioration i n the extracellular enzyme system of fungi which are able to lay open the p r i m a r y w a l l more or less. I t seems that there is no relation between the supposed a b i l i t y for decomposing pectins of the middle lamella and the simultaneous lignin-disintegration altogether and especially i n the inner layers of the secondary w a l l (S3 and S2). Also there is no relation to the degree of activity of the oxidases. The ability to disintegrate l i g n i n especially i n the secondary w a l l and to loosen i n this w a y the microfibrils particularly i n the inner layer of the secondary w a l l from their strong linkage is probably regulated by another component of the fungal enzyme system w i t h o u t relation to the degradation of pectin. The disintegration, electron microscopically stated, agrees q u a n t i tatively w i t h the amount of certain phenolic degradation products (vanillic acid, syringic acid). The activity of oxidases which is often regarded as an indicator for l i g n i n degrading a b i l i t y does not correspond to the results of the electron microscopical investigations. The conclusions of our attempt to classify the degradation phenomena i n the secondary w a l l must be regarded to be too subjective. The coarse-grained depositions on the surface of p r i m a r y and secondary w a l l respectively which were recognized after the action of t w o species of fungi are certainly interesting but no conclusions can yet be d r a w n from these sporadic signs. I t can be summarized that electron microscopical investigations alone even w i t h a number of fifteen species of fungi — which we have analyzed — are not sufficient for a characterization of the physiology of cell w a l l degradation and for a classification of species.

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V l a d i m i r Necesany Résumé L'influence de la pourriture blanche sur la structure ultra des couches cellulaires extérieures

On suppose que l'examen au microscope électronique des faces externes et internes des cellules des tracheides d u bois de sapin doit permettre d'étudier le stade i n i t i a l de la dégradation des parois cellulaires lignifiées par les ectoenzymes et par conséquent de comprendre le mécanisme d'action des Champignons destructeurs de lignine et aussi d'établir une classification de ces Champignons. Les résultats de cet examen n'ont pas complètement confirmé ce que l'on avait supposé mais certains faits intéressants ont été acquis: 1— I l existe certaines différences entre les espèces de champignons l i g n i vores du point de vue de leur capacité à dégrader les résidus de la lamelle moyenne et d'attaquer la membrane primaire. On suppose que les enzymes pectinolytiques sont déjà présents au stade i n i t i a l de la dégradation d u bois dans le système enzymatique extracellulaire des champignons q u i attaquent plus ou moins la membrane primaire. 2— I l ne semble pas y avoir de relation entre la capacité supposée d'attaquer les matières pectiques de la lamelle moyenne et la dégradation simultanée de la lignine en particulier dans les lamelles internes de la membrane secondaire (S3 et Sg). I l n'y a pas non plus de relation avec le degré d'activité des oxydases. 3— L a capacité de destruction de la lignine en particulier dans la membrane secondaire et par conséquent, de relächement des fortes liaisons des microfibrilles probablement provoqués par u n autre composé du système enzymatique fongique sans rapport avec la dégradation des matières pectiques. L a dégradation constatée au microscope électronique est quantitativement conforme à l'apparition de certains produits de dégradation phénoliques (acide vanillique, acide syringique). L'activité des oxydases q u i est souvent considérée comme u n indice de la capacité de dégradation de la lignine ne s'accorde pas avec les résultats des recherches au microscope électronique. 4— Les conclusions de nos essais de classification des phénomènes de dégradation de la membrane secondaire doivent ètre considérés comme trop subjectifs. 5— Les épais dépots granuleux constatés sur la surface des membranes primaire et secondaire après action de deux espèces de champignons sont certainement interessants à considérer mais aucune conclusion ne peut encore étre tirée de l'existence de ces signes sporadiques. 6— On peut conclure que les recherches au microscope électronique seul, mème avec les quinze espèces de champignons que nous avons étudiés, ne suffisent pas à caractériser la Physiologie de la dégradation de la membrane cellulaire et à servir de base à la classification des espèces.

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Weißfäule u n d U l t r a s t r u k t u r äußerer Zellwandschichten

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L.: Zmény Ν mikroskopické strukture dreva p r i rozkladu drevokazn y m i houbami (Veränderungen der M i k r o s t r u k t u r bei der Holzzersetzung durch holzzerstörende Pilze). Drev. V y s k u m 9 (1964), 127—144. L I E S E , W.: Die S t r u k t u r der Tertiärwand i n Tracheiden und Holzfasern. Holz als Roh- u. Werkst. 18 (1960), 296—303. M E I E R , H.: Uber den Zellwandabbau durch Holzvermorschungspilze und die submikroskopische S t r u k t u r von Fichtentracheiden und Birkenholzfasern. Holz als Roh- u. Werkst. 13 (1955), 323—338. NEÖESANY, V.: Veränderung der Z e l l w a n d s t r u k t u r bei Tannenholz (Abies alba Mill.) durch Pilzeinwirkung. Holzforschung 17 (1963), 57—60. NEÖESANY, V . : Über den submikroskopischen Charakter der Mittellamelle des Sekundärxylems. Proc. 3rd Europ. regional Conf. Electron Microscopy, Prague 1964, pp. 591—592. NEÖESANY, V. und C E T L O V À , J . : Rozklad bunécnych blan bukového dreva houbou Stereum purpureum Pers. (Die Zersetzung der Zellwände von Buchenholz durch den Pilz Stereum purpureum Pers.). Drev. V y s k u m 8 (1963), 195—202. NEÖESANY, V. und JURÀSEK, L.: Zmény submikroskopické s t r u k t u r y dreva, napadeného b i l o u hnilobou (Die Veränderungen der submikroskopischen S t r u k t u r des durch Weißfäule befallenen Holzes). Les. Casopis (Bratislava) 2 (1956), 43—52. RYPAÖEK, V . : Biologie drevokaznych hub (Die Biologie der holzzerstörenden Pilze). Praha 1957. S C H M I D , R . und L I E S E , W . : Über die mikromorphologischen Veränderungen der Zellwandstrukturen von Buchen- u n d Fichtenholz beim A b b a u durch Polyporus versicolor (L.) Fr. Arch. Mikrobiol. 47 (1964), 260—276. SOPKO, R.: Lignolytic activity of w h i t e - r o t fungi. Biologia (Bratislava) 21 (1966), 10—18. Material u. Organismen, Beiheft 1, 1966, 187—196. JURÀSEK,

Anschrift des Verfassers: D r . VLADIMIR NEÓESANÌ

Staatliches I n s t i t u t für Holzforschung, Lamacskä 5, Bratislava 9, Tschechoslowakei

Mikromorphologische Veränderungen verholzter Zellwände durch Basidiomyceten (Braunfäuleerreger) V o n HORST COURTOIS

I n s t i t u t für Holzkunde und Forstnutzung der Forstlichen Forschungsanstalt, München (Deutschland)

Die Wiederentdeckung kavernöser Abbaumuster in den Zellwänden pilzinfizierter Hölzer lenkte das Augenmerk interessierter Kreise in den letzten 10 Jahren auf Ascomyceten und Fungi imperfecti. Die häufig spiralig in den Sekundärwänden verlaufenden Kavernen w u r den zunächst ausschließlich auf Moderfäulepilze zurückgeführt. Bald fand man aber heraus, daß der Basidiomycet Poria nigrescens Bres. gleichfalls Kavernen hervorrufen kann, die jenen der Moderfäulepilze ähneln (C. G. D U N C A N , 1 9 6 0 ) . Auch von Polyporus versicolor ( L . ) ex Fr. und Merulius lacrymans Fr. wurden vereinzelt Befallmuster bekannt (W.LIESE

und

R . S C H M I D , 1 9 6 2 ; W . LIESE,

1963).

Unter optimalen Lebensbedingungen ist die Abbauintensität holzzerstörender Basidiomyceten infolge stärkerer Enzymsekretion um ein Vielfaches größer als diejenige von Moderfäulepilzen. Da beim A n griff durch Basidiomyceten i n relativ kurzer Zeit das Endstadium der Holzzerstörung erreicht wird, sind die mikromorphologischen Veränderungen der Zellwände während des Abbaus bisher meist unbeachtet geblieben. Daher erschien es wünschenswert, diese mikroskopischen Abbausymptome näher zu untersuchen. Darüber hinaus soll versucht werden, Ähnlichkeiten und Unterschiede der beobachteten Befallmuster gegenüber den Abbauerscheinungen von Moderfäulepilzen aufzuzeigen. M a t e r i a l und Methode Die Untersuchungen w u r d e n m i t den braunfäuleerzeugenden Pilzarten Coniophora puteana (Schum. ex Fr.) Karst. (= C. cerebello, Pers. Duby), Stereum sanguinolentum (Alb. et Schw.), Peniophora gigantea (Fr.) Mass. (= Corticium ginganteum Fr.), Lenzites specA u n d Fomes marginatus (Pers. 1 Dieser Pilz konnte noch nicht m i t Sicherheit identifiziert werden. Der Bavendammtest w a r negativ, trotzdem ist es fraglich, ob ein B r a u n - oder Weißfäuleerreger vorliegt.

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Basidiomyceten

„ „ _ _ , Zellwanddurchwachsungen

Fasern

Tab. 1. Von Basidiomyceten verursachte Abbausymptome an Buchenholz 42 Horst Courtois

Veränderungen verholzter Zellwände durch Braunfäuleerreger

43

ex Fr.) Fr. durchgeführt. Unveröffentlichte Teilergebnisse früherer U n t e r suchungen m i t dem Weißfäulepilz Poria nigrescens Bres. an Kiefern- und Buchensplintholz w u r d e n i n die Darstellung m i t einbezogen. F ü r jeden Pilz w u r d e n 6 Agarröhrchen m i t Abramsnährboden + 1 °/o Malz vorbereitet u n d beimpft (E. ABRAMS, 1948). Aus Fichten- u n d Buchensplintholz m i t annähernd gleichmäßigem J a h r ringaufbau formten w i r je 50 Proben von 8 X 8 X 30 m m Größe. Sie w u r d e n durch Darrtrocknung bei 103° C sterilisiert, bei Gewichtskonstanz gewogen, m i t sterilem Wasser wiederbefeuchtet, anschließend auf den pilzbewachsenen Agar gelegt u n d bei 22° C aufbewahrt. I n periodischen Abständen von Tagen bzw. wenigen Wochen prüften w i r den Gewichtsverlust der Holzproben. Wiesen sie einen mäßigen Gewichtsverlust von etwa 8 bis 1 8 % auf, w u r d e n Mazerationspräparate hergestellt. Hierdurch konnten w i r die Frühstadien des Holzabbaus erfassen u n d m i k r o skopisch untersuchen.

Ergebnisse D i e m i k r o m o r p h o l o g i s c h e n V e r ä n d e r u n g e n der Z e l l w ä n d e s i n d m i t b e g i n n e n d e m H o l z a b b a u a n F a s e r n b z w . T r a c h e i d e n a m besten z u b e obachten. A n d e n M a r k s t r a h l z e l l e n u n d — m i t w e n i g e n A u s n a h m e n — a n d e n Gefäßen scheint e i n k a v e r n e n l o s e r , „ f l ä c h i g e r " A b b a u v o n s t a t t e n z u gehen. E r ä u ß e r t sich i m V e r l u s t d e r W a n d v e r s t e i f u n g e n u n d i m D ü n n e r w e r d e n der Z e l l w ä n d e (Fig. 1).

Fig. 1. Musterloser „flächiger" A b b a u der Zellwände von Fichten-Markstrahlen (Fomes marginatus). A l l e Fotobilder: H. Courtois.

D i e Z e l l w ä n d e des Buchenholzes w e r d e n v o n s ä m t l i c h e n u n t e r s u c h t e n B a s i d i o m y c e t e n d u r c h w a c h s e n (Tab. 1). H i e r b e i h i n t e r l a s s e n sie schmale b i s b r e i t e r e , r e c h t w i n k l i g z u r F a s e r r i c h t u n g v e r l a u f e n d e K a n ä l e ( 0 ~ 0,6 . . . . 4,0 μ). Z e l l w a n d z e r s t ö r u n g e n i n F o r m v o n r u n d e n

44

Horst Courtois

bis o v a l e n L ö c h e r n ( 0 ~ 5 . . . 10 μ , G r o ß - L o c h z e r s t ö r u n g ) v e r u r s a c h t e n Lenzites spec., Fomes marginatus u n d Poria nigrescens (Fig. 2). E i n e n u n r e g e l m ä ß i g gezackten Z e l l w a n d a b b a u v o m L u m e n h e r erzeugen a n F a s e r n Stereum sanguinolentum, Peniophora gigantea u n d seltener Lenzites spec. (Fig. 3), w ä h r e n d e i n k a v e r n ö s e r A b b a u , v o m L u m e n ausgehend, Stereum sanguinolentum, Peniophora gigantea u n d seltener Poria nigrescens zugeschrieben w e r d e n k a n n (Fig. 3 u n d 4). Schmale,

Fig. 2. Große, rund-ovale Löcher (Groß-Loch-Zerstörung) i n der Zell wand einer Buchenfaser (Fomes marginatus). Fig. 3. Unregelmäßig gezackter (a) und kavernöser (mit Öffnungswinkel) (b) Zellwandabbau v o m L u m e n her an Buchenfaser (Stereum sanguinolentum). Fig. 4. Kavernöser Zellwandabbau v o m L u m e n her m i t rechteckigen Kavernenendungen an Buchenfaser (Peniophora gigantea).

l a n g e K a v e r n e n i n n e r h a l b der S2 scheint n u r Coniophora puteana verursachen zu k ö n n e n . Sie w u r d e n sehr selten beobachtet; Ö f f n u n g s w i n k e l der Kavernenendungen fehlen i m allgemeinen. Lediglich an m i t Stereum sanguinolentum befallenen Fasern w u r d e n Öffnungswinkel v o n 58 . . . 69 . . . 85° festgestellt (Fig. 3). D i e v o n Peniophora gigantea e r z e u g t e n k a v e r n ö s e n M u s t e r e n d e n m e i s t rechteckig oder u n r e g e l m ä ß i g gezackt (Fig. 4). I n der E n d p h a s e des Z e l l w a n d a n g r i f f s e r -

Veränderungen verholzter Zellwände durch Braunfäuleerreger

45

scheinen die F a s e r n b z w . Z e l l g e w e b e v o n Coniophora puteana lokal s t a r k zerstört, v o n Stereum sanguinolentum u n d Peniophora gigantea u n r e g e l m ä ß i g k o r r o d i e r t u n d v o n Lenzites spec. u n d Fomes marginatus d u r c h l ö c h e r t . D i e Gefäße w e r d e n ü b e r w i e g e n d m u s t e r l o s abgeb a u t . N u r Poria nigrescens h i n t e r l ä ß t n i c h t o r i e n t i e r t e u n d Fomes marginatus offenbar i n F i b r i l l e n r i c h t u n g verlaufende, h y p h e n k a n a l ä h n l i c h e K o n t a k t s p u r e n auf d e n G e f ä ß w ä n d e n (Fig. 5). A n d e n H o l z p a r e n c h y m z e l l e n w u r d e n k e i n e k a v e r n ö s e n A b b a u e r s c h e i n u n g e n beobachtet.

Fig. 5. Hyphenkanalähnliche Kontaktspuren auf einer des Buchenholzes (Fomes marginatus).

Gefäßwand

Fig. 6. Welliger Zellwandabbau einer Fichtentracheide v o m L u m e n her (Coniophora puteana).

D i e Z e l l w ä n d e des Fichtenholzes w e r d e n ebenfalls v o n d e n H y p h e n s ä m t l i c h e r P i l z a r t e n d u r c h b o h r t (Tab. 2). D i e U r h e b e r der G r o ß - L o c h z e r s t ö r u n g e n s i n d h i e r dieselben w i e i m Buchenholz. Z u s ä t z l i c h w u r d e diese Eigenschaft i m N a d e l h o l z f ü r Peniophora gigantea nachgewiesen. D i e D u r c h w a c h s u n g e n der Z e l l w ä n d e u n d die g r o ß e n L ö c h e r h a b e n i m F i c h t e n - u n d B u c h e n h o l z e t w a dieselben Durchmesser. E i n e n w e l l i g e n Z e l l w a n d a b b a u der T r a c h e i d e n v o m L u m e n h e r beobachteten w i r b e i Coniophora puteana u n d Stereum sanguinolentum (Fig. 6). I n n e r h a l b der Z e l l w a n d w u r d e n K a v e r n e n selten b e i Coniophora puteana (Fig. 7) u n d h ä u f i g e i g e n w i l l i g g e f o r m t e b e i Poria nigrescens festgestellt, die

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Von Basidiomyceten verursachte Abbausymptome an Fichtenholz

a) bei mehr als 12wöchiger Inkubation ist Groß-Loch-Zerstörung möglich.

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Basidiomyceten

Zellwanddurchwachsungen

T a b . 2.

46 Horst Courtois

Veränderungen verholzter Zellwände durch Braunfäuleerreger

47

n i c h t d e m F i b r i l l e n v e r l a u f entsprachen (Fig. 8). D i e P i l z h y p h e n h a t t e n stets e n g e n K o n t a k t m i t der Z e l l w a n d . K a v e r n e n ä h n l i c h e K a n ä l e m i t e i n e m b e s t i m m t e n A n s t i e g s w i n k e l z u r Längsachse d e r Z e l l w a n d beobachteten w i r b e i Lenzites spec. ü b e r B o h r l ö c h e r n (Fig. 9), T ü p f e l n (Fig. 10) u n d auch s o l i t ä r , b e i Fomes marginatus nur über B o h r l ö c h e r n u n d b e i Poria nigrescens n u r solitär. A n den K a v e r n e n e n d u n g e n k o n n t e n k e i n e Ö f f n u n g s w i n k e l nachgewiesen w e r d e n . I n der E n d p h a s e der Z e r s t ö r u n g f i e l e n a n m i t Coniophora puteana bef a l l e n e n P r o b e n langzerschlissene u n d an m i t Stereum sang, b e f a l l e n e n d ü n n e T r a c h e i d e n w ä n d e besonders auf. D e r A b b a u der M a r k s t r a h l z e l l e n geht ebenfalls m u s t e r l o s , m e i s t ohne k a v e r n ö s e S y m p t o m e vonstatten.

Fig. 7. Schmale, lange Kaverne innerhalb der Sekundärwand einer Fichtentracheide (Coniophora puteana). Fig. 8. Eigenwillig

geformte Befallmuster i n der Sekundärwand Kieferntracheiden (Poria nigrescens).

von

B e i e i n e m V e r g l e i c h d e r T a b . 1 m i t Tab. 2 f i n d e t m a n , daß n u r die Zellwanddurchwachsungen u n d Groß-Lochzerstörungen beiden Holza r t e n g e m e i n s a m sind. Unterschiede i n den B e f a l l m u s t e r n zwischen Buchen- u n d Fichtenholz w u r d e n etwas h ä u f i g e r beobachtet u n d s i n d i n T a b e l l e 3 z u sammengestellt. E i n w e l l i g e r Z e l l w a n d a b b a u v o m L u m e n her u n d kavernenähnliche Kanäle m i t einem bestimmten Anstiegswinkel sind danach f ü r das F i c h t e n h o l z charakteristisch. D e m g e g e n ü b e r t r i t t n u r

Horst Courtois

48

a n B u c h e n h o l z e i n u n r e g e l m ä ß i g gezackter u n d k a v e r n ö s e r A b b a u v o m L u m e n h e r auf. Vergleichen w i r n u n sämtliche mycogenen A b b a u s y m p t o m e u n t e r einander, w i e sie a n B u c h e n - u n d F i c h t e n h o l z beobachtet w o r d e n sind. B e t r a c h t e n w i r einzelne Befallserscheinungen, so f a l l e n v i e l e G e m e i n s a m k e i t e n i n d e n T a b e l l e n 1 u n d 2 auf. S t e l l e n w i r aber s ä m t l i c h e A b b a u s y m p t o m e z w e i e r P i l z a r t e n e i n a n d e r gegenüber, so f i n d e t m a n , daß h i e r e i n B e f a l l m u s t e r n i c h t a u f t r i t t , d o r t e i n B e f a l l s y m p t o m sich anders äußert. Diese, die e i n z e l n e n P i l z a r t e n d i f f e r e n z i e r e n d e n A b b a u T a b. 3. U n t e r s c h i e d e der m i k r o m o r p h o l o g i s c h e n A b b a u s y m p t o m e einiger Basidiomyceten zwischen Buchen- u n d Fichtenholz. Buchen-Fasern

Pilzart Coniophora puteana

nicht beobachtet

Stereum sanguinolentum

nicht beobachtet

_ Peniophora gigantea

Abbaumuster v o m L u m e n her unregelmäßig gezackt bzw. kavernös (Fig. 3) nicht beobachtet Abbaumuster v o m L u m e n her unregelmäßig gezackt bzw. kavernös (Fig. 4)

Lenzites spec.

Abbaumuster v o m L u m e n her unregelmäßig gezackt (seltener) nicht beobachtet

Fichten-Tracheiden welliger Zellwandabbau v o m L u m e n her (Fig. 6) i welliger Zellwandabbau v o m L u m e n her nicht beobachtet ! I große, rund-ovale Löcher i n den Zellwänden nicht beobachtet

nicht beobachtet kavernenähnliche Kanäle m i t bestimmten Anstiegswinkeln (Fig. 9,10)

Fomes marginatus

nicht beobachtet (in den Gefäßwänden sind Hyphenkanäle orientiert, Fig. 5)

kavernenähnliche Kanäle m i t bestimmten Anstiegswinkeln

Poria nigrescens

nicht beobachtet (in den Gefäßwänden sind Hyphenkanäle nicht orientiert)

eigenwillig geformte Kavernen innerhalb der S 2 a) (Fig. 8)

a) an Kiefern-Tracheiden.

Veränderungen verholzter Zellwände durch Braunfäuleerreger

Fig. 9. Kavernenähnliche Kanäle über Bohrlöchern tracheide (Lenzites spec.). Fig. 10. Kavernenähnliche

Kanäle über Tüpfeln (Lenzites spec.).

in

i n einer

Fichten-

Fichtentracheiden

Τ a b. 4. Ähnlichkeiten der mikromorphologischen Abbausymptome zwischen Basidiomyceten und Ascomyceten (Moderfäuleerreger).

Holzart Buche

Mikromorphologische Abbausymptome unregelmäßig gezackter und kavernöser A b b a u der Fasern v o m Zellumen her (Fig. 3, 4) Kavernen innerhalb der Zellwand (S 2 ); seltener bei Basidiomyceten Muster i n den Gefäßwänden, offenbar seltener bei Basidiomyceten (Fig. 5)

fibrillenorientiert

Öffnungswinkel ( ^ 70°) der Kavernenendungen (Fig. 3) Zellwanddurchwachsungen Fichte (Kiefer)

Befallmuster i n der Zellwand m i t bzw. ohne Anstiegsw i n k e l (Fig. 7) Markstrahlenzellen werden überwiegend musterlos abgebaut Zellwanddurchwachsungen

4 Material u n d Organismen, Beiheft 1

49

flächig-

Horst Courtois

50

Symptome, k ö n n e n m i t M e r k m a l s g r u p p e n bezeichnet w e r d e n . D u r c h sie w i r d der i n d i v i d u e l l e C h a r a k t e r d e r P i l z e b e i m H o l z a b b a u d e u t l i c h , d e n n es scheint, daß k e i n P i l z i n der S u m m e seiner m i k r o m o r p h o l o gischen A b b a u e r s c h e i n u n g e n e i n e m a n d e r e n gleicht. O b u n d i n w e l c h e m A u s m a ß diese These A l l g e m e i n g ü l t i g k e i t hat, w ä r e erst d u r c h w e i t e r e U n t e r s u c h u n g e n z u belegen. A u f s c h l u ß r e i c h i s t e i n V e r g l e i c h d e r v o n B a s i d i o m y c e t e n erzeugten B e f a l l m u s t e r m i t denen v o n A s c o m y c e t e n u n d F u n g i i m p e r f e c t i , d e n M o d e r f ä u l e e r r e g e r n (H. COURTOIS, 1963). I n T a b . 4 s i n d d i e j e n i g e n S y m p t o m e b e i d e r P i l z g r u p p e n zusammengefaßt, d i e e i n a n d e r ä h n l i c h sind u n d leicht zu Verwechslungen i h r e r Erreger f ü h r e n können. A n d e rerseits w u r d e n auch m i k r o m o r p h o l o g i s c h e A b b a u s y m p t o m e beobachtet, die e n t w e d e r f ü r B a s i d i o m y c e t e n oder f ü r M o d e r f ä u l e e r r e g e r bezeichn e n d sind. Sie w e r d e n i n T a b . 5 g e n a n n t . T a b . 5. U n t e r s c h i e d e der m i k r o m o r p h o l o g i s c h e n A b b a u s y m p t o m e zwischen B a s i d i o m y c e t e n u n d A s c o m y c e t e n ( M o d e r f ä u l e e r r e g e r ) . Holzart Buche

Fichte (Kiefer)

Basidiomyceten

Ascomyceten

Groß-Loch-Zerstörung (Fig. 2)

nicht beobachtet

nicht beobachtet

Kavernen m i t Anstiegswinkel

Endphase: Fasern sind lokal stark zerstört oder unregelm. korrodiert oder durchlöchert

Endphase: Fasern sind netzförmig zerstört

Holzparenchymzellen werden flächig-musterlos abgebaut

Holzparenchymzellen weisen z. T. orientierte Kavernen auf

Groß-Loch-Zerstörung

nicht beobachtet

z. T. welliger Zellwandabbau v o m L u m e n her (Fig. 6)

nicht beobachtet

eigenwillig geformte Kavernen innerhalb der Zellwand (Fig. 8)

nicht beobachtet

Kavernenähnliche Kanäle über Tüpfeln den Porus erweiternd (Fig. 10)

nicht beobachtet

Tertiärwand kann v o r der Sekundärwand abgebaut werden

Tertiärwand wird n a c h Angriff auf Sekundärw a n d abgebaut

Veränderungen verholzter Zell wände durch Braunfäuleerreger

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Diskussion O b d i e B a s i d i o m y c e t e n ü b e r w i e g e n d die Z e l l u m i n a z u m V o r d r i n g e n i n das H o l z b e n u t z e n oder d e n u n m i t t e l b a r e n W e g der Z e l l w a n d d u r c h w a c h s u n g e n b e v o r z u g e n , ist schwer z u entscheiden. B e i d e M ö g l i c h k e i t e n w u r d e n e t w a i n gleicher H ä u f i g k e i t beobachtet. Es k o n n t e festgestellt w e r d e n , daß d i e H y p h e n i n Gefäßen u n d M a r k s t r a h l z e l l e n zunächst w e n i g N e i g u n g zeigen, i n die Z e l l w ä n d e e i n z u d r i n g e n . D i e w e i t e n L u m i n a ersterer e r m ö g l i c h e n e i n u n g e h i n d e r t e s W a c h s t u m i n axialer Richtung, w ä h r e n d i n parenchymatischen Z e l l e n offenbar zuerst d i e Z e l l i n h a l t s s t o f f e als N a h r u n g dienen. I m w e i t e r e n V e r l a u f erscheinen d i e M a r k s t r a h l z e l l w ä n d e m u s t e r l o s , m e i s t ohne k a v e r n ö s e S y m p t o m e abgebaut u n d i n „ f l ä c h i g e r " A u f l ö s u n g b e g r i f f e n . O f t w a r k e i n e oder n u r eine schwache L i c h t b r e c h u n g b e i P o l a r i s a t i o n z u beobachten. D e r beginnende, sich d u r c h m i k r o m o r p h o l o g i s c h e M u s t e r auszeichn e n d e Z e l l w a n d a b b a u d u r c h B r a u n f ä u l e e r r e g e r a n B u c h e n f a s e r n setzt h ä u f i g v o m L u m e n h e r u n t e r Z e r s t ö r u n g der S3 ein. E r w i r d b e d i n g t d u r c h die w e n i g e r resistente T e r t i ä r w a n d d e r Buchenfasern, i m V e r g l e i c h z u der der F i c h t e n t r a c h e i d e n . U n t e r s u c h u n g e n m i t A s c o m y c e t e n ergaben ä h n l i c h e B e f u n d e (H. COURTOIS, 1963). A b e r auch an F i c h t e n t r a c h e i d e n ist eine b i s h e r noch n i c h t bebobachtete f l ä c h i g - l o k a l e Z e r s t ö r u n g der S3 v o r d e m A b b a u der b e n a c h b a r t e n S 2 - L a m e l l e n m ö g l i c h . Sie w u r d e a n v o n Coniophora puteana u n d Stereum sanguinolentum befallenen Proben ermittelt ( = welliger Zellwandabbau). Hierzu scheint e i n enger K o n t a k t m i t der Z e l l w a n d e r f o r d e r l i c h z u sein, w i e aus d e n B e o b a c h t u n g e n z u schließen ist. D i e v o n Stereum sanguinolentum erzeugten Ö f f n u n g s w i n k e l der K a v e r n e n an Buchenfasern s t i m m e n m i t den v o n Moderfäulepilzen hervorgerufenen

überein

( A . FREY-WYSSLING,

1938;

H . COURTOIS

1963).

R h o m b e n f ö r m i g gestaltete B e f a l l m u s t e r beobachteten w i r sehr selten. A n d e r e r s e i t s entsprechen i n d e n F i c h t e n t r a c h e i d e n d i e A n s t i e g s w i n k e l d e r K a v e r n e n v o n Lenzites spec., Fomes marginatus u n d Porta nigrescens e t w a d e n S t e i g u n g s w i n k e l n des F i b r i l l e n v e r l a u f s i n der S e k u n d ä r w a n d S2 b z w . d e r Ü b e r g a n g s l a m e l l e S i ( P . A . ROELOFSEN, 1959).

D i e z u l e t z t g e n a n n t e n 3 P i l z a r t e n u n d Peniophora gigantea (diese n u r b e i Fichte) erzeugen aber auch große, r u n d - o v a l e L ö c h e r i n der Z e l l w a n d ( G r o ß - L o c h z e r s t ö r u n g ) , d e r e n A u s f o r m u n g v o n der Z e l l w a n d t e x t u r u n a b h ä n g i g ist. S o m i t d e u t e n die a u f g e f ü h r t e n B e f a l l m u s t e r d a r a u f h i n , daß der H o l z a b b a u d u r c h B a s i d i o m y c e t e n i m F r ü h s t a d i u m n u r t e i l w e i s e v o n der f i b r i l l ä r e n T e x t u r der Z e l l w ä n d e b e e i n f l u ß t wird. 4*

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Horst Courtois

B e i den Untersuchungen ist m i t R e i n k u l t u r e n gearbeitet worden. Deshalb k o n n t e n w i r durch einen Vergleich m i t den A b b a u s y m p t o m e n der Moderfäuleerreger Ä h n l i c h k e i t e n u n d Unterschiede zwischen beid e n P i l z g r u p p e n herausstellen. B i s h e r i s t n i c h t b e k a n n t , daß i m Gegensatz z u d e n B a s i d i o m y c e t e n auch d i e A s c o m y c e t e n eine G r o ß - L o c h z e r s t ö r u n g (an B u c h e n - u n d F i c h t e n h o l z ) u n d e i n e n w e l l i g e n A b b a u v o m Z e l l u m e n h e r (an F i c h t e n h o l z ) erzeugen. D a k e i n e s dieser b e i d e n D i f f e r e n z - B e f a l l m u s t e r v o n s ä m t l i c h e n getesteten B a s i d i o m y c e t e n erzeugt w i r d , h a b e n sie n u r e i n e n b e g r e n z t e n diagnostischen W e r t .

Zusammenfassung A n beimpften Buchen- u n d Fichten- (bzw. Kiefern-)Splintholz wurden mikromorphologische Veränderungen von 6 verschiedenen Basidiomyceten untersucht. Danach sind Braunfäuleerreger i n der Lage, vornehmlich i m Frühstadium des Holzabbaus, i n den Wänden bestimmter Zelltypen Kavernen u n d andere Befallmuster zu erzeugen. Sie w u r d e n beschrieben. B e i m Holzabbau wurde ein unmittelbarer K o n t a k t der Hyphen m i t der Zellwand beobachtet. Beginnt der A b b a u v o m Zellumen her, wurde bei B u chen- und Fichtenholz meist die T e r t i ä r w a n d v o r der Sekundärwand angegriffen. Die fibrilläre T e x t u r der Zellwände hat auf die Gestaltung der Befallmuster einen begrenzten Einfluß. Die von Basidiomyceten u n d Ascomyceten hervorgerufenen Befallmuster w u r d e n miteinander verglichen und auftretende Ähnlichkeiten u n d U n t e r schiede herausgestellt.

Summary Micro-morphological changes of lignified cell walls produced by Basidiomycetes (brown rot fungi) Samples of sapwood from beech and spruce (resp. pine) inoculated w i t h 6 different Basidiomycetes, were examined as to micromorphological symptoms of decomposition. According to that, b r o w n rot fungi are able to produce cavities and other decay patterns i n the cell walls of certain cell types, especially i n the early stage of decomposition. These patterns were described. A direct contact between hyphae and cell w a l l during the decomposition was observed. When the decomposition starts from the cell lumen, the tertiary w a l l was often attacked b e f o r e the secondary w a l l i n beech wood and spruce wood. The fibril texture of the cell walls has a l i m i t e d influence on the decay patterns. The infection patterns caused by Basidiomycetes and Ascomycetes were compared. Occurring similarities and dissimilarities were expounded.

Veränderungen verholzter Zellwände durch Braunfäuleerreger

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Résumé Des modifications micro-morphologiques des parois lignifiés produites par des Basidiomycètes (champignons de la pourriture brune) Des échantillons d'aubier de hétre et d'épicéa (resp. de pin) q u i étaient inoculés avec 6 différents Basidiomycètes fùrent examinés pour des modifications micro-morphologiques. Cela a révélé que les champignons produisant une pourriture brune sont à mème de produire des cavernes ainsi que d'autres formes de décomposition dans le paroi de certaines types de cellules, particulièrement au commencement de la décomposition. Ces décompositions sont décrites. U n contact immédiat entre les hyphes et le parois fut observé au cours de la dégradation d u bois. Quand la décomposition commence dans le lumen cellulaire, le parois tertiaire d'aubier de hètre et d'épicéa fut très souvent attaqué a ν a η t le parois secondaire. L a texture fibrillaire des parois a une influence limitée sur la forme de la dégradation. Les formes de la décomposition produites par les Basidiomycètes et les Ascomycètes fùrent comparées et des ressemblances et différences fürent expliquées. Schrifttum E.: Microbiological deterioration of organic materials. National B u reau of Standards. Misc. Pubi. 188, U.S. Dep. Com., Wash. 1948. B A V E N D A M M , W.: Erkennen, Nachweis und K u l t u r der holzverfärbenden und holzzersetzenden Pilze. A b t . X I I , T e i l 2, Heft 7, Abderhaldens Handbuch d. biolog. Arbeitsmethoden. B e r l i n - W i e n (Verlag Urban & Schwarzenberg), 1938, 927—1134. COURTOIS, H.: Mikromorphologische Befallsymptome beim Holzabbau durch Moderfäulepilze. Holzforschung u. Holzverw. 15 (1963), 88—101. COURTOIS, H.: Beitrag zur Frage holzabbauender Ascomyceten u n d Fungi imperfecti. Holzforschung 17 (1963), 176—183. D U N C A N , C. G.: Wood-attacking capacities and physiology of soft-rot fungi. U.S. For. Prod. Lab., Madison, Rep. No. 2173, 1960, 28 S. F R E Y - W Y S S L I N G , Α . : Submikroskopische S t r u k t u r u n d Mazerationsbilder nativer Cellulosefasern. Der Papierfabrikant (1938), H. 24/25, 212—217. L I E S E , W.: Neue Befunde über den A b b a u des Holzes durch Pilze. Holz-Zentralblatt 89 (1963), 505—507. L I E S E , W. u n d S C H M I D , R.: Elektronenmikroskopische Untersuchungen über den A b b a u des Holzes durch Pilze. Angew. Bot. 36 (1962), 291—298. LYR, H.: Die B i l d u n g von Ektoenzymen durch holzzerstörende u n d holzbewohnende Pilze auf verschiedenen Nährböden. Arch. f. Mikrobiologie 33 (1959), 266—282; 34 (1959), 189—203, 238—250, 418—433; 35 (1960), 258—278. ROELOFSEN, Ρ. Α.: The plant cell-wall. B e r l i n (Borntraeger Verlag), 1959, 335 S. Anschrift des Verfassers: ABRAMS,

Dr.

HORST

COURTOIS

I n s t i t u t für Holzkunde u n d Forstnutzung der Forstlichen Forschungsanstalt, 8 München 13, Amalienstraße 52 Bundesrepublik Deutschland

The Soft Rot Fungi and their Mode of Entry into Wood and Woody Cell Walls By

JOHN F .

LEVY

I m p e r i a l College, Botany Department, London (England) A t e c h n i q u e f o r s t u d y i n g t h e e a r l y stages of decay w a s e v o l v e d b y Ν . H . CORBETT a n d J . F . LEVY (1963). T h i s c o n s i s t e d o f t h e p r e p a r a t i o n o f

cubes of w o o d , 1 c m i n d i m e n s i o n , w i t h opposite p a i r s of faces o r i e n t a t ed i n t h e transverse, t a n g e n t i a l l o n g i t u d i n a l a n d r a d i a l l o n g i t u d i n a l planes. F o u r faces of each b l o c k w e r e coated w i t h a n e p o x y r e s i n adhesive ( w i t h t h e p r o p r i e t a r y n a m e of " a r a l d i t e " ) l e a v i n g o n l y an opposite p a i r of faces free. T h e blocks w e r e p l a c e d o n a c u l t u r e of t h e a p p r o p r i a t e f u n g u s g r o w i n g i n a p e t r i dish. I t w a s u s u a l to h a v e t h r e e blocks o n each p l a t e , one block w i t h t h e t r a n s v e r s e faces unsealed, one w i t h t h e t a n g e n t i a l faces unsealed a n d one w i t h t h e r a d i a l faces u n sealed. T h e r e s u l t i n such a n e x p e r i m e n t is s h o w n i n F i g . 1. T h e blocks w e r e chosen of t h i s shape, size a n d o r i e n t a t i o n so t h a t t h e y c o u l d be p l a c e d o n a sledge m i c r o t o m e a n d sectioned w i t h o u t a n y f u r t h e r t r i m m i n g of t h e blocks b e i n g necessary. I n t h i s w a y sections c o u l d be t a k e n at a n y stage i n t h e i n i t i a t i o n of t h e f u n g a l attack to s h o w t h e degree of p e n e t r a t i o n of t h e f u n g u s . A s can be seen f r o m F i g . 1, t h e effect of p r e s e n t i n g a p a r t i c u l a r o r i e n t a t i o n of cells to t h e f u n g u s h a d q u i t e a m a r k e d effect on t h e r a t e of p e n e t r a t i o n a n d s p o r u l a t i o n of t h e o r g a n i s m . Ν . H . CORBETT a n d J. F. LEVY (1963) described t h e i n i t i a t i o n of c a v i t y f o r m a t i o n i n tracheids of s a p w o o d of Scots p i n e (Pinus sylvestris ), b y t h e f u n g u s Chaetomium globosum. A f t e r a n i n i t i a l b u i l d - u p of h y p h a e i n t h e r a y p a r e n c h y m a , t h e h y p h a e w e r e r e p o r t e d to pass t h r o u g h t h e s e m i - b o r d e r e d p i t s i n t o t h e l u m e n of a d j a c e n t tracheids. H e r e s h o r t side branches w e r e seen to occur o n t h e h y p h a e close to t h e i n n e r l i n i n g of t h e c e l l w a l l a n d p e n e t r a t e i n t o t h e w a l l as fine l a t e r a l p r o j e c t i o n s . These l a t e r a l h y p h a e f r e q u e n t l y p e n e t r a t e d c o m p l e t e l y t h r o u g h t h e w a l l , a n d t h e w a l l of t h e a d j a c e n t tracheid, to r e f o r m t h e t h i c k e r h y p h a e i n t h e l u m e n of t h i s cell. O f t e n , h o w e v e r , t h e l a t e r a l p e n e t r a t i o n w a s o n l y as f a r as t h e S2 l a y e r of t h e a d j a c e n t w a l l w h e r e t h e h y p h a branched, a n d b o t h b r a n c h a n d m a i n h y p h a t u r n e d s h a r p l y to a v e r t i c a l d i r e c t i o n . G r o w t h n o w f o l l o w e d t h e m i c r o f i b r i l h e l i x a n d cavities f o r m ed r o u n d these h y p h a e w i t h t h e characteristic s h a r p l y p o i n t e d ends.

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J o h n F. L e v y

Fig. 1. O r i e n t a t e d blocks of Pinns sylvestris sapwood w i t h 4 faces sealed on a c u l t u r e of Chaetomium globosum. Block w i t h transverse faces unsealed at top; w i t h t a n g e n t i a l faces unsealed on l e f t ; w i t h r a d i a l faces unsealed on r i g h t .

M . P . LEVI (1964) a n d M . G. STEVENS (1964) s u b s t a n t i a t e d these o b s e r -

vations, and both photographed similar T-shaped branching i n the S2 layer of the secondary w a l l of the cell i n whose lumen the lateral branch arose, thus suggesting that penetration through the primary w a l l middle lamella complex was not necessarily a stimulus to branching of this type (Fig. 2). J. F . LEVY (1965) has s p e c u l a t e d t h a t

t h e i n i t i a t i o n of the

lateral

branch of the hypha i n the lumen of the cell might be i n response to a biochemical stimulus from the cell wall, such as the presence of residual protein in the remains of plasmodesmata if these should exist at all i n the secondary cell wall. To this might also be added the possib i l i t y that the warty layer illustrated by many workers, may also provide the necessary stimulus. Ν . H . CORBETT (1965), has g i v e n a n i l l u s t r a t e d a c c o u n t of t w ö t y p e s o f

destruction of the cell wall. Type 1 is the T-shaped branching described above, whilst Type 2 consists of the erosion or removal of the S3 and S2 layers when the fungal hypha i n the cell lumen makes contact w i t h

Soft Rot F u n g i and t h e i r Mode of E n t r y i n t o Wood

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Fig. 2. T - s h a p e d branching of a h y p h a of Chaetomium globosum i n the S 2 layer of the secondary w a l l of a tracheid of Pinns sylvestris.

the cell wall. Type 1 was the only type to be observed when Chaetomium globosum attacked woody cell walls of sapwood of Pinus sylvestris, whereas both Type 1 and Type 2 were seen when Betula sp. was attacked by the same fungus. I t seemed possible that the two distinct types of destruction of the cell w a l l might be correlated w i t h the fact that the chemical nature of the cell w a l l differs between softwoods (species of Gymnosperms) and h a r d w o o d s (species o f A n g i o s p e r m s ) . J . F . LEVY a n d M.G.STEVENS (1966),

therefore, began an investigation into the behaviour of two species of fungus i n five species of softwood and seven species of hardwood, the results of which, when complete, w i l l be published later. The fungi concerned were Chaetomium globosum and Coniothyrium fuckellii. The five softwoods were Abies grandis, Larix sp., Picea sitchensis , Pinus sylvestris and Pseudotsuga taxifolia. The hardwoods were three ringporous species, Fraxinus excelsior , Quercus sp., and Ulmus sp. and four diffuse porous species, Acer pseudoplatanus, Betula sp., Fagus sylvatica ,

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John F. L e v y

a n d Tilia europaea. P r e l i m i n a r y results i n d i c a t e t h a t CORBETT'S T y p e 1 d e s t r u c t i o n w a s present i n a l l species of w o o d f r o m b o t h species of fungus. T y p e 2 d e s t r u c t i o n was, h o w e v e r , m a i n l y confined t o t h e seven h a r d w o o d species w i t h some present i n o n l y t w o of t h e s o f t w o o d species, Picea sitchensis a n d Larix sp. B o t h species of f u n g u s a g a i n b e h a v e d i n a s i m i l a r m a n n e r . T h r o u g h o u t t h e e x p e r i m e n t , Chaetomium sp. s h o w e d m o r e a c t i v e g r o w t h a n d q u i c k e r d e v e l o p m e n t of t h e t y p e s of d e s t r u c t i o n of t h e c e l l t h a n Coniothyrium. These results w o u l d seem to i n d i c a t e t h a t b o t h species of f u n g u s h a v e d i f f i c u l t y i n p e n e t r a t i n g i n t o t h e secondary c e l l w a l l of softwoods f r o m t h e l u m e n of t h e tracheids, except f o r spruce a n d larch, a n d e v e n h e r e t h e degree of d e s t r u c t i o n is n o t as g r e a t as i n t h e h a r d w o o d s . Once i n t o t h e S2 l a y e r , c a v i t y f o r m a t i o n appears to proceed n o r m a l l y . I t w o u l d seem t h e r e f o r e t h a t t h e b a r r i e r m u s t exist i n t h e S3 l a y e r o r as a l i n i n g to t h a t l a y e r . T h e n a t u r e of such a b a r r i e r raises a v a r i e t y of t h o u g h t s , b u t c e r t a i n l y appears to s u b s t a n t i a t e t h e p r o b a b i l i t y of c h e m i c a l differences e x i s t i n g w i t h i n t h i s l a y e r . I t m a y be t h a t t h e t h i c k ness of t h i s l a y e r is a n i m p o r t a n t f a c t o r , o r t h a t m a t e r i a l m a y h a v e b e e n deposited at t h e l u m e n surface w h i c h f o r m s a p h y s i c a l b a r r i e r to penetration. H . GREAVES a n d J. F . LEVY (1965) h a v e m a d e o b s e r v a t i o n s o n t h e b e h a v i o u r of Chaetomium globosum (a soft r o t fungus), Polystictus versicolor (a w h i t e r o t fungus), Lenzites trabea (a b r o w n r o t fungus) a n d t h e b a c t e r i u m Bacillus polymyxa o n t h r e e species of w o o d , Betula sp., Fagus sylvatica a n d Pinus sylvestris. A l l four organisms showed a s i m i l a r i n i t i a l b u i l d - u p i n t h e r a y p a r e n c h y m a of Betula sp. a n d Pinus sp. w i t h subsequent p e n e t r a t i o n t h r o u g h t h e s i m p l e o r s e m i - b o r d e r e d p i t s i n t o t h e fibre o r t r a c h e i d l u m e n . Fagus sp., h o w e v e r , does n o t s h o w t h i s characteristic a n d p e n e t r a t i o n f r o m fibre t o fibre appears to b e t h r o u g h t h e n u m e r o u s p i t s i n t h e c e l l w a l l s , a n d f u n g a l h y p h a e accum u l a t e m a i n l y i n t h e vessels. I n a l l species of w o o d each t y p e of f u n g u s attacks t h e less h e a v i l y l i g n i f i e d regions of t h e w a l l first, so t h a t t h e e a r l y w o o d is a t t a c k e d p r e f e r e n t i a l l y t o t h e l a t e w o o d , w h i c h o n l y b e comes h e a v i l y attacked b y t h e w h i t e r o t fungus. C h a r a c t e r i s t i c a l l y t h e vessels of Betula sp. r e m a i n u n a t t a c k e d , especially b y Chaetomium globosum , a l t h o u g h t h i s o r g a n i s m r e a d i l y destroys t h e secondary w a l l s of t h e fibres. I t w o u l d appear t h a t soft r o t f u n g i can cause t w o t y p e s of d e s t r u c t i o n of t h e c e l l w a l l , a n d t h a t t h e t y p e of d e s t r u c t i o n depends o n t h e species of w o o d i n v o l v e d . T h e p a t h of p e n e t r a t i o n can also h a v e t w o stages, a p a s s i v e b u i l d - u p i n t h e r a y p a r e n c h y m a f o l l o w e d b y a n a c t i v e d e s t r u c t i o n of t h e secondary c e l l w a l l s f r o m f u n g a l h y p h a e i n t h e l u m e n of t h e cell.

Soft Rot F u n g i and their Mode of E n t r y into Wood

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Summary Decay of wood by soft rot fungi is usually characterised by the presence of hyphae forming spiral longitudinal cavities i n the S 2 layer of the secondary w a l l of woody cells. Recent w o r k has shown that i n some woods, species of fungi that produce this type of decay may also break d o w n the cell w a l l from the lumen causing the removal of the S 3 and S2 layers. This appears to be more common i n hardwood species than i n softwood species. The i m portance of the ray parenchyma cells i n supporting the i n i t i a l g r o w t h of soft rot, b r o w n rot, and w h i t e rot fungi and bacteria has also been observed.

Zusammenfassung Das Eindringen von Moderfäulepilzen in Holz und verholzte Zellwände Holzzerstörung durch Moderfäulepilze ist gewöhnlich durch das Vorhandensein von Hyphen gekennzeichnet, die i n Längsrichtung verlaufende spiralige Kavernen i n der Sg-Schicht der Sekundärwand von Holzzellen v e r ursachen. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß i n einigen Hölzern Pilzarten, die diese Abbaumuster erzeugen, auch die Z e l l w a n d v o m L u m e n her angreifen können, indem sie die S 3 - und Sg-Schicht zerstören. Das scheint häufiger bei Laubholz- als bei Nadelholzarten vorzukommen. Ferner wurde die Bedeutung der M a r k s t r a h l - Z e l l e n für eine Begünstigung des anfänglichen Wachstums von Moderfäule-, Braunfäule- u n d Weißfäulepilzen sowie von Bakterien festgestellt.

Résumé Les champignons de la pourriture molle et comment ils envahissent le bois et les parois ligneuses des cellules La détérioration d u bois par les champignons de la pourriture molle est normalement caractérisée par la présence des hyphes produisant des cavernes spirales longitudinales dans la couche S 2 de la paroi secondaire des cellules d u bois. Des investigations récentes ont révélé que dans certains bois les champignons q u i provoquent ces types de détérioration sont à mème d'attaquer la paroi cellulaire par le lumen en détruisant les couches S 3 et S 2 . Cela semble ètre plus souvent le cas avec les bois feuillus qu'avec les bois résineux. On a également observé que le parenchyme des rayons médullaires favorise la croissance initiale des champignons des pourritures molle, brune et blanche et des bactéries.

Literature Micro-morphological studies on the degradation of lignified cell walls by Ascomycetes and Fungi Imperfecti. J. Inst. Wood Sci. 14

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CORBETT, Ν . H .

vestris

1322—1323.

60

John F. L e v y

and L E V Y , J . F . : Comparative degradation of the sapwood of Scots pine, beech and birch by Lenzites trabea, Polystictus versicolor, Chaetomium globosum and Bacillus polymyxa. J. Inst. Wood Sci. 3 (1965), 55—63. L E V I , M . P.: A biochemical study of the action of the soft rot fungus Chaetomium globosum on Fagus sylvatica. Ph. D. Thesis, U n i v . of Leeds, 1964. LEVY, J. F.: The soft rot fungi: Their mode of action and significance i n the degradation of wood. I n : PRESTON, R. D. (Editor): Advances i n botanical research. Vol. 2. London, New Y o r k (Acad. Press) 1965, 323—357. L E V Y , J. F. and STEVENS, M. G.: The i n i t i a t i o n of attack by soft rot fungi i n wood. J. Inst. Wood Sci. 3 (1966), 49—55. SAVORY, J. G.: Breakdown of timber by Ascomycetes and F u n g i Imperfecti. Ann. appi. Biol. 41 (1954), 336—347. STEVENS, M . G . : Private communication, 1 9 6 4 . GREAVES, Η .

Address of the author: JOHN F .

LEVY

Imperial College Botany Department Prince Consort Road London S.W. 7, England

The Effect of Bacterial Action on Some Wood Cubes i n Shake Culture By

HARRY

GREAVES

T. R. A. D. A. Bursar, Department of Botany, I m p e r i a l College, London (England) Introduction I t has l o n g been k n o w n t h a t t i m b e r w h i c h has b e e n p o n d - s t o r e d develops a s u b s t a n t i a l increase i n p e r m e a b i l i t y , g i v i n g rise to i n t e r e s t i n g effects w i t h r e g a r d to i m p r e g n a t i o n of w o o d p r e s e r v a t i v e s . Investigations and experiments b y various w o r k e r s have led to the b e l i e f t h a t t h i s p h e n o m e n o n is d u e t o m i c r o b i o l o g i c a l a c t i v i t y o c c u r r i n g in the log-ponds

(E. L . ELLWOOD a n d B . A . ECKLUND,

1959; D . T.

a n d E . MCCOY, 1961; O . SUOLAHTI a n d A . W A L L E N , 1958; W . A .

KNUTH

BASHENOW,

1956), t h o u g h o t h e r w o r k e r s b e l i e v e t h a t p e r m e a b i l i t y is effected m o r e b y t h e n u m b e r of p i t s r e m a i n i n g o p e n d u r i n g t h e t r a n s i t i o n f r o m s t a n d i n g t i m b e r to stored logs, t h a n b y m i c r o - o r g a n i s m s d u r i n g storage. ( G . J . GRIFFIN, 1 9 1 9 ; E . W . I . PHILLIPS,

1933.)

T h e f o l l o w i n g w o r k w a s u n d e r t a k e n to ascertain w h e t h e r v a r i o u s sapwoods, w h e n h e l d i n s h a k e - c u l t u r e w i t h a s u i t a b l e m i c r o - o r g a n i s m , u n d e r g o a n y increase i n p e r m e a b i l i t y , a n d i f so, w h a t s t r u c t u r e s are attacked a n d w h a t b a r r i e r s b r o k e n d o w n , t o p e r m i t t h e i n c r e m e n t . Materials Sticks of Scots p i n e (Pinus sylvestris ), beech (Fagus sylvatica) and b i r c h (Betula sp.) s a p w o o d w e r e o b t a i n e d f r o m t h e F o r e s t P r o d u c t s Research L a b o r a t o r y , P r i n c e s R i s b o r o u g h , a n d c u t u p i n t o 1 cm. cubes, w i t h t h e s i x faces o r i e n t a t e d to t h e transverse, t a n g e n t i a l l o n g i t u d i n a l , a n d r a d i a l l o n g i t u d i n a l planes. A c u l t u r e of Bacillus polymyxa was acquired from the National C o l l e c t i o n of P l a n t P a t h o g e n i c B a c t e r i a , h e l d at t h e P l a n t P a t h o l o g y L a b o r a t o r y , H a r p e n d e n (Catalogue no. 611). Methods Twelve 250 ml. shake flasks, containing 100 ml. of a modified Dubos medium (1948), (0.5 g. N a N 0 3 ; 1.0 g. K 2 H P 0 4 ; 0.5 g. M g S 0 4 - 7 H 2 0 ; 0.5 g. K C l ; trace of

62

H a r r y Greaves

ferric sulphate; 0.5 g. carboxymethyl cellulose; 11. distilled water), were each inoculated w i t h a 1 ml. suspension (in nutrient broth) of a 3 day old culture of the bacterium and then grown at 25° C for a further 3 days. T h e cubes of w o o d , a f t e r w a t e r - l o g g i n g w i t h D u b o s salts s o l u t i o n w e r e s t e r i l i s e d b y p l a c i n g t h e m i n a n a t m o s p h e r e of p r o p y l e n e o x i d e . O n e cube of each species of w o o d w a s t h e n p l a c e d i n t o each of t h e shake flasks, a n d s l o w l y s h a k e n f o r 2 w e e k s at 25° C. (The c u l t u r e s w e r e t h e n l e f t s t a t i o n a r y f o r t h e rest of t h e e x p e r i m e n t . ) E v e r y seven days a flask w a s t a k e n , t h e cubes r e m o v e d , fixed i n f o r m a l i n - a c e t i c a c i d - a l c o h o l ( f o r m a l i n 6 m l . ; g l a c i a l acetic a c i d 4 m l . ; 70 °/o e t h a n o l 90 ml.) a n d sectioned to g i v e r a d i a l l o n g i t u d i n a l ,

Fig. 1 a. Radial longitudinal section of Birch (1 week) showing heavy development of bacteria w i t h i n the rays.

Bacterial A c t i o n on Wood Cubes i n Shake Culture

63

a n d t r a n s v e r s e sections; one section w a s s t a i n e d i n s a f r a n i n / p i c r o a n i l i n e b l u e , one i n G i e m s a stain, a n d a t h i r d m o u n t e d w i t h t h e o t h e r t w o , u n s t a i n e d . A v i a b i l i t y test w a s c a r r i e d o u t o n t h e m e d i u m i n each flask at t h e t i m e t h e cubes w e r e r e m o v e d f r o m i t . Sections w e r e also c u t f r o m c o n t r o l blocks, w h i c h h a d been t r e a t e d e x a c t l y as t h e test blocks, b u t w e r e p l a c e d i n m e d i a t h a t h a d n o t b e e n i n o c u l a t e d w i t h t h e bacterium.

Fig. 2 a. Transverse section of Birch (4 weeks) showing bacteria i n the fibre lumina.

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H a r r y Greaves

A d i p - t e s t f o r increase i n p e r m e a b i l i t y w a s p e r f o r m e d o n t h e cubes f r o m w e e k s 0, 2, 4, 6, 8, a n d 12; these w e r e o v e n - d r i e d at a b o u t 40° C f o r 18 hours, w e i g h e d , t h e n d i p p e d e n d g r a i n d o w n w a r d s , i n a vessel c o n t a i n i n g 5 m l . of a 0.25 °/o aqueous n i g r o s i n s o l u t i o n f o r 20 seconds. They were then rapidly blotted, and accurately re-weighed.

Results O n m i c r o s c o p i c a l e x a m i n a t i o n of t h e cubes, b a c t e r i a w e r e f o u n d to be b u i l d i n g u p i n n u m b e r s w i t h i n t h e rays, a f t e r o n l y 1 w e e k (Fig. l a , l b ) . I n t h e o l d e r cubes, t h e o r g a n i s m h a d spread to t h e l u m i n a of tracheids a n d fibres (Fig. 2 a, 2 b), t h o u g h n e i t h e r p i t p e n e t r a t i o n , n o r a n y b a c t e r i a l association w i t h p i t s c o u l d be seen. U n d e r p o l a r i s e d l i g h t , t h e t h i n - w a l l e d r a y p a r e n c h y m a cells c o u l d be seen to loose b i r e f r i n g e n c e , i n d i c a t i n g a n a l t e r a t i o n i n t h e c r y s t a l l i n e areas of t h e cellulose s t r u c t u r e w i t h i n t h e c e l l w a l l s . T h e change i n irridescence b e g a n i n cells at t h e c e n t r e of t h e r a y , a n d progressed o u t w a r d s u n t i l t h e w h o l e r a y a p p e a r e d to b e a l a r g e d a r k area i n t h e s u r r o u n d i n g s t r u c t u r e (Fig. 3 a n d 4). N o s i m i l a r o b s e r v a t i o n s w e r e m a d e w i t h sections f r o m c o n t r o l blocks.

Fig. 3. Radial longitudinal section of Birch (4 weeks) viewed w i t h polarised light to show loss of birefringence i n the rays.

Bacterial A c t i o n on Wood Cubes i n Shake Culture

65

Fig. 4. As Fig. 3: radial longitudinal section of Scots pine (7 weeks).

T h e v i a b i l i t y tests w e r e p o s i t i v e w i t h each flask. Results of t h e d i p - t e s t are g i v e n i n t h e f o l l o w i n g t a b l e :

Weeks of Incubation

0 2 4 6 8 12

Increase i n weight after dip-test °/o Scots pine 15.63 60.40 45.84 50.05 56.38 35.51

;

Beech

Birch

7.40 15.97 18.20 16.82 19.35 21.77

15.22 33.45 31.96 28.99 41.42 39.01

Discussion I t is i n t e r e s t i n g to n o t e t h a t t h e b a c t e r i u m attacks t h e t h r e e species of w o o d i n t h e same m a n n e r ; i n i t i a l p e n e t r a t i o n t h r o u g h t h e rays, f o l l o w e d by a rapid multiplication w i t h i n them, and then further g r o w t h throughout the wood. 5 Material und Organismen, Beiheft 1

66

H a r r y Greaves

T h e o r g a n i s m p r o b a b l y derives e a r l y n u t r i e n t s f r o m t h e m a t e r i a l f o u n d i n t h e rays, especially i n beech, a n d t h e r e m o v a l of these components w o u l d alone result i n the w o o d becoming more permeable to l i q u i d s . W h e n t h i s n u t r i t i o n a l source is exhausted, t h e b a c t e r i a m u s t l e a v e t h e r a y s i f t h e y are t o c o n t i n u e successful d e v e l o p m e n t . N o v i s i b l e p a t h w a s seen t h a t w o u l d e x p l a i n h o w t h e o r g a n i s m s pass f r o m r a y c e l l t o t r a c h e i d l u m e n , b u t t h e change i n c r y s t a l l i n i t y of t h e cellulose f r a c t i o n s of t h e w a l l s of t h e r a y cells a n d t h e associated p o r t i o n s of t h e t r a c h e i d w a l l s , suggests a m a r k e d change i n t h e p h y s i c a l , i f n o t t h e chemical, n a t u r e of t h e w a l l . I t is t e m p t i n g t o p o s t u l a t e t h a t t h i s p h e n o m e n o n so alters t h e w a l l , t h a t i t no l o n g e r becomes a b a r r i e r to t h e m i g r a t i o n of i n d i v i d u a l o r g a n i s m s f r o m c e l l t o cell. I t is n o t clear w h y t h e b a c t e r i u m w a s n o t observed to u t i l i s e t h e n a t u r a l p a t h w a y s f r o m c e l l to cell, n a m e l y , t h e pits, r a t h e r t h a n u n d e r t a k e t h i s a p p a r e n t l y m o r e c o m p l i c a t e d attack of t h e c e l l w a l l s . H o w e v e r , t h e p i t s d i d n o t appear to be attacked i n a n y w a y . T h i s adds w e i g h t to t h e t h e o r y t h a t t h e p i t s p l a y a m i n o r r o l e i n t h e q u e s t i o n of p e r m e a b i l i t y of Scots pine, beech, a n d b i r c h , a n d t h a t i t is t h e a l t e r a t i o n of t h e cellulose s t r u c t u r e w i t h i n t h e p a r e n c h y m a cell w a l l s of t h e rays, w h i c h gives rise to t h e d e m o n s t r a t e d i n c r e m e n t s i n p e r m e a b i l i t y .

Summary Sapwood cubes of Scots pine (Pinus sylvestris), beech (Fagus sylvatica) and birch (Betula sp.) were held i n a shake culture of Bacillus polymyxa for twelve weeks. A t intervals of seven days, one cube of each species was removed and examined microscopically. Results indicated that the organism developed i n the rays and caused an alteration to the physical nature of the cell wall. A dip-test for permeability showed a marked increase i n the infected cubes w h e n compared w i t h the uninfected controls; no attack of pits was observed.

Zusammenfassung Die Einwirkung von Bakterien auf Holzwürfel in einer Schüttelkultur Es wurden Splintholzwürfel von Kiefer ( Pinus sylvestris), Buche (Fagus sylvatica) u n d B i r k e (Betula sp.) zwölf Wochen lang i n einer Schüttelkultur m i t Bacillus polymyxa gehalten. I n Abständen von sieben Tagen wurde von jeder Holzart ein Würfel entnommen und mikroskopisch untersucht. Die Ergebnisse zeigten, daß die Mikroorganismen sich i n den Markstrahlen entwickelten und eine Veränderung der physikalischen Beschaffenheit der Zellw a n d verursachten. E i n Tauchversuch zur Prüfung der Durchlässigkeit zeigte eine deutliche Zunahme bei den infizierten Würfeln i m Vergleich zu unbehandelten Kontrollen. Es wurde kein A b b a u der Tüpfel beobachtet.

Bacterial A c t i o n on Wood Cubes i n Shake Culture

67

Résumé L'influence de Taction des bactéries sur quelques blochets en bois dans une culture agitée Des échantillons d'aubier de p i n (Pinus sylvestris), de hètre (Fagus sylvatica) polymyxa et de bouleau (Betula sp.) ont été soumis à l'attaque de Bacillus dans une culture agitée pendant 12 semaines. À des intervalles de sept jours u n échantillon de chaque espèce était enlevé et examine sous le microscope. On à trouvé que les organismes se sont développés dans les rayons en amenant une modification de la structure des parois cellulaires. Une i m m e r sion des échantillons pour examiner la perméabilité à montré que celle des échantillons attaqués était devenue plus large comparé à celle des échantillons non-attaqués. Une décomposition des ponctuations n'est pas observée.

Literature Α . : Die Flüssigkeitsdurchlässigkeit von Holzgeweben und ihre praktische Anwendung. B e r l i n (Akademie-Verlag), 1956. E L L W O O D , E . L . and E C K L U N D , Β . Α . : Bacterial attack of pine logs i n pond storage. For. Prod. J. 9 (1959), 283—292. G R I F F I N , G . J . : Bordered pits i n Douglas Fir. J . For. 18 ( 1 9 1 9 ) , 8 1 3 . K N U T I I , D . T . and M C C O Y , E . : Bacterial deterioration of pine logs i n pond storage. Bact. Proc. 61 (1961), 60. P H I L L I P S , E . W . I . : Movement of the p i t membrane i n coniferous woods, w i t h special reference to preservative treatment. Forestry 7 (1933), 109—120. S U O L A R T I , Ο . and W A L L E N , Α . : Der Einfluß der Naßlagerung auf das Wasseraufnahmevermögen des Kiefernsplintholzes. Holz als Roh- u. Werkstoff 16 (1958), 8—17. BASHENOW, W .

Address of the author: Mr.

HARRY

GREAVES

Department of Botany, I m p e r i a l College, Prince Consort Road, London S. W. 7, England

Decay of Wood and Wood Fiberboards by Common Fungi Imperfecti B y W I L L I A M MERRILL

Department of Plant Pathology, Pennsylvania State University (USA)

F r o m t h e e a r l y studies of ROBERT HARTIG i n 1873 u n t i l 1954 t h e f u n g i responsible for w o o d decay a l m o s t u n i v e r s a l l y w e r e t h o u g h t t o be o n l y t h e B a s i d i o m y c e t e s a n d t h e X y l a r i a c e a e of t h e Ascomycetes. T h e r e are n u m e r o u s s t a t e m e n t s i n t h e l i t e r a t u r e as l a t e as 1958 t h a t B a s i d i omycetes are " u n i q u e i n b e i n g able to u t i l i z e l i g n i f i e d c e l l u l o s e " a n d t h a t " u t i l i z a t i o n of w o o d as f o o d is r e s t r i c t e d to r e l a t i v e l y f e w f u n g i " . O t h e r w o o d - a t t a c k i n g f u n g i w e r e t h o u g h t t o cause t w o t y p e s of d e t e r i o r a t i o n : 1) b l u e - s t a i n , a d e e p l y p e n e t r a t i n g d i s c o l o r a t i o n of w o o d , u s u a l l y c o n f i n e d to sapwood, a n d caused b y f u n g i such as Ceratocystis a n d Diplodia, a n d 2) m o l d , a s u p e r f i c i a l d i s c o l o r a t i o n of t h e w o o d d u e to f u n g i s p o r u l a t i n g o n t h e surfaces of t h e w o o d , a n d caused b y f u n g i such as Aspergillus, Penicillium, a n d Trichoderma. N e i t h e r of these t w o t y p e s of d e t e r i o r a t i o n supposedly caused a n y s i g n i f i c a n t p h y s i c a l or c h e m i c a l a l t e r a t i o n of t h e w o o d , since t h e f u n g i w e r e t h o u g h t to consume o n l y t h e s o l u b l e m a t e r i a l s stored i n t h e rays. Nevertheless, m a n y of t h e f u n g i c a u s i n g b l u e - s t a i n a n d surface m o l d w e r e k n o w n t o be c e l l u l o l y t i c since t h e y w e r e i m p o r t a n t agents i n t h e d e c o m p o s i t i o n of paper, cotton, a n d herbaceous p l a n t m a t e r i a l s . T h u s t h e concept d e v e l o p e d t h a t l i g n i n p r o t e c t e d w o o d f r o m decay b y these organisms. Y e t t h e r e w e r e several r e p o r t s scattered i n t h e l i t e r a t u r e , e i t h e r i g n o r e d or d i s c o u n t e d b y those engaged i n w o o d d e t e r i o r a t i o n research, t h a t c o m m o n F u n g i I m p e r f e c t i , such as species of Penicillium, c o u l d decay w o o d . T h a t Ascomycetes a n d F u n g i I m p e r f e c t i are i m p o r t a n t w o o d - d e s t r o y i n g f u n g i w a s f i r s t d e m o n s t r a t e d b y J. G. SAVORY i n 1954 (a, b), a l t h o u g h t h e t y p e of decay p r o d u c e d b y these o r g a n i s m s h a d b e e n described a n d b e a u t i f u l l y i l l u s t r a t e d b y H . SCHACHT (1863) n e a r l y a c e n t u r y before a n d n o t e d b y o t h e r i n v e s t i g a t o r s several t i m e s t h e r e a f t e r (I. W . BAILEY,

1913;

I.W.BAILEY

and

M . R . VESTAL,

1 9 3 7 ; E . S . BARGHOORN

and

D. H . LINDER, 1944). T h i s t y p e of decay w a s n a m e d s o f t - r o t . I t is characterized b y t h e occurrence of h e l i c a l c a v i t i e s w i t h i n t h e secondary

70

William Merrill

w a l l s of t h e w o o d cells, f o r m e d b y f u n g i g r o w i n g w i t h i n t h e c e l l w a l l s f o l l o w i n g t h e o r i e n t a t i o n of t h e m i c r o f i b r i l s . I n recent years n u m e r o u s w o r k e r s i n s e v e r a l c o u n t r i e s h a v e s h o w n t h a t s o f t - r o t is a v e r y c o m m o n p h e n o m e n o n , especially i n w o o d i n contact w i t h s o i l o r i n o t h e r m o i s t e n v i r o n m e n t s . I t is especially n o t e w o r t h y t h a t m a n y of t h e f u n g i n o w k n o w n t o cause s o f t - r o t h a d been k n o w n f o r decades t o decay herbaceous p l a n t m a t e r i a l s , b u t l o n g w e r e t h o u g h t t o lack enzymes necessary to decay w o o d . M o r e r e c e n t l y , b l u e - s t a i n i n g f u n g i a n d species of Fusarium, Penicillium, a n d Trichoderma h a v e b e e n r e p o r t e d to cause s o f t - r o t or to decay w o o d ( A N O N . , 1 9 6 2 ; I . G . K R A P I V I N A , 1 9 6 0 , 1 9 6 2 ) . H . COURTOIS ( 1 9 6 3 a, b) has r e p o r t e d s e v e r a l F u n g i I m p e r f e c t i t o cause s o f t - r o t , b u t his concepts of s o f t - r o t , i. e., e t c h i n g of t h e l u m e n surface, are c o n s i d e r a b l y b r o a d e r t h a n t h e o r i g i n a l concept of J. G. SAVORY. J . G . SAVORY a n d L . C. PINION (1958) a n d M . P . L E V I (1964) h a v e s t u d i e d

t h e effects of Chaetomium globosum o n t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n of beech, a n d h a v e s h o w n t h a t t h i s f u n g u s consumes b o t h h e m i c e l l u l o s e s a n d a l p h a cellulose, b u t attacks l i g n i n o n l y s l i g h t l y , i n p a r t b y r e m o v a l of m e t h o x y l groups. T h u s s o f t - r o t b y C. globosum is m o r e s i m i l a r t o b r o w n - r o t t h a n to w h i t e - r o t . V a s t a m o u n t s of w o o d f i b e r b o a r d s are used i n b u i l d i n g c o n s t r u c t i o n i n t h e U.S.A., n o t o n l y as i n s u l a t i o n , b u t also as i n t e r i o r a n d e x t e r i o r sheathing, f o r m b o a r d s i n b u i l t - u p roofs, a n d acoustic t i l i n g . M i c r o b i a l d e t e r i o r a t i o n of these m a t e r i a l s is n o t u n c o m m o n a n d t h e r e h a v e been n u m e r o u s cases of c o m p l e t e f a i l u r e of s t r u c t u r e s c o n t a i n i n g these p r o d u c t s because of decay d u e t o t h e i m p r o p e r use of these m a t e r i a l s a n d to p o o r c o n s t r u c t i o n practices. I n a series of studies at t h e U n i v e r s i t y of M i n n e s o t a f r o m 1958 to 1964, b a s i d i o m y c e t o u s f u n g i s e l d o m w e r e f o u n d associated w i t h decayed f i b e r b o a r d s i n b u i l d i n g s t h r o u g h o u t t h e eastern U . S . A . I n s t e a d w e i s o l a t e d m a n y s t r a i n s of Chaetomium globosum a n d n u m e r o u s species of F u n g i I m p e r f e c t i (W. MERRILL, 1963). A l t h o u g h at f i r s t w e focused m o s t of o u r a t t e n t i o n u p o n C. globosum, one decay s t u d y i n w h i c h a species of Penicillium caused 1 1 % w e i g h t loss i n 12 w e e k s suggested t h a t p e r h a p s such c o m m o n m o l d f u n g i m i g h t be responsible f o r some of t h e n a t u r a l l y - o c c u r r i n g d e t e r i o r a t i o n of f i b e r b o a r d s . S t e r i l e test specimens of f i b e r b o a r d w e r e i n o c u l a t e d w i t h p u r e c u l t u r e s of f u n g i , i n c u b a t e d f o r v a r i o u s periods at 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 22 — 28° C, d r i e d , a n d t h e percentage w e i g h t losses c a l c u l a t e d . T h e specimens w e r e t h e n a l l o w e d to e q u i l i b r a t e at 65 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 21° C, c u t to a s t a n d a r d size, a n d b r o k e n i n tension. A p o r t i o n of t h e results t h u s o b t a i n e d (Tab. 1) shows t h a t

Decay of Wood and Wood Fiberboards by Fungi Imperfecti

71

T a b . 1. W e i g h t a n d s t r e n g t h losses p r o d u c e d i n w o o d f i b e r b o a r d s b y exposure to v a r i o u s f u n g i f o r f o u r , e i g h t , a n d t w e l v e weeks.

Chaetomium

Coniothyrium

globosum

sp

Aspergillus

niger

Aspergillus

flavus

Trichoderma

,,

M i x t u r e of Aspergillus Penicillium sp

(weeks) 4 4 12 12

1 2 13 13

33 32 58 57

4 4

0 1

15 13

8 8 8 12 12

6 5 3 5 7 6 5 4

52 41 20 39 35

1

48 46 56

2 1

! :

35 19

8 8 8

viride

and

Strength Loss ! (°/o)

Weight Loss (°/o)

Exposure

Test Fungus

8 8 12 12

7

12 12 12 12

1 1 12 10

j1 Ì !

j

4 7

45 19 16 decrease i n a l p h a cellulose ( W . M E R R I L L a n d D . W . F R E N C H , 1 9 6 4 ) . I n subsequent studies b e g u n w h i l e I w a s a p o s t - d o c t o r a l f e l l o w at t h e Y a l e School of F o r e s t r y a n d n o w b e i n g c o n t i n u e d at P e n n s y l v a n i a State U n i v e r s i t y ,

Decay of Wood and Wood Fiberboards by F u n g i Imperfecti

73

several o t h e r species of F u n g i I m p e r f e c t i h a v e b e e n f o u n d t o decay blocks of Populus grandidentata. I n fact, a l l species of f u n g i w h i c h h a v e been used t h u s f a r h a v e decayed Populus spp. a n d several also h a v e caused s l i g h t w e i g h t losses i n Quercus rubra a n d Pinus strobus. E x c e p t f o r Sporotrichum pruinosum, t h e r a t e of decay b y these f u n g i is v e r y s l o w c o m p a r e d to b a s i d i o m y c e t o u s f u n g i . T h e rates of decay of w o o d a n d w o o d f i b e r b o a r d s w e r e a b o u t t h e same w h e n tested u n d e r s i m i l a r c o n d i t i o n s . C h e m i c a l analyses h a v e n o t y e t been m a d e to determine w h i c h w o o d constituents have been consumed b y the f u n g i l i s t e d i n T a b . 2.

T a b . 2. A v e r a g e percentage w e i g h t losses of blocks of Populus tremuloides o r Populus grandidentata exposed f o r t w e l v e weeks to various F u n g i I m p e r f e c t i and w o o d - r o t t i n g fungi a). Test Fungus Uninoculated controls Aspergillus ustus Botryotrichum piluliferum Dactylosporium sp Fusarium solani Phialophora melinii Phyllosticta sp Rhinotrichum sp Sporotrichum pruinosum QM-168 . . . Sporotrichum pruinosum WM-67 . . . Trichoderma viride Chaetomium globosum Lenzites trabea Polyporus versicolor

Average Weight Loss b ) (°/o) 0.0 5.8 5.5 3.8 4.2 6.4 11.1 6.2 45.2 42.1 6.4 10.2 77.2 66.1

a) T e s t e d b y s o i l - b u r i a l i n p u r e c u l t u r e t e c h n i q u e . b) A v e r a g e s of 5—10 r e p l i c a t i o n s .

T h u s f a r no s y m p t o m s of t y p i c a l s o f t - r o t h a v e b e e n f o u n d i n a n y of t h e decayed blocks of Populus , n o t e v e n i n those decayed b y Chaetomium globosum. Instead, C. globosum a n d a l l of t h e F u n g i I m p e r f e c t i h a v e been f o u n d w i t h i n t h e c e l l l u m i n a w h e r e t h e y h a v e caused a g r a d u a l t h i n n i n g of t h e secondary c e l l w a l l s i n a m a n n e r s i m i l a r t o t h a t described f o r v a r i o u s w h i t e - r o t f u n g i . Since C. globosum and

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William Merrill

some of t h e F u n g i I m p e r f e c t i do p r o d u c e t y p i c a l s o f t - r o t i n Quercus rubra , t h e f a i l u r e to do so i n Populus spp. p r o b a b l y is d u e to differences i n t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n of t h e S3 l a y e r s of t h e c e l l w a l l s of these t w o species. C h e m i c a l analyses of Populus a n d Quercus, s i m i l a r to t h e analyses of Pinus b y H . M E I E R a n d K . C. B . W I L K I E ( 1 9 5 9 ) , m i g h t i n d i c a t e t h e reasons f o r these d i f f e r e n t p a t t e r n s of decay, f u r t h e r , w h y s o f t - r o t is u s u a l l y confined to t h e S2 l a y e r , a n d also t h e e n z y m e systems i n v o l v e d i n s o f t - r o t . E n o u g h evidence has been a c c u m u l a t e d b y v a r i o u s w o r k e r s t o suggest t h a t a n y species of t h e Ascomycetes a n d F u n g i I m p e r f e c t i w h i c h can decay herbaceous p l a n t m a t e r i a l or c o t t o n can also decay w o o d , a l t h o u g h perhaps at a v e r y s l o w r a t e c o m p a r e d to b a s i d i o m y c e tous f u n g i . T h e decay p r o b a b l y w i l l be of t h e b r o w n - r o t t y p e , i. e., l i g n i n w i l l be o n l y s l i g h t l y attacked, b u t p e r h a p s m o d i f i e d . T h e p a t t e r n o f attack u p o n t h e w a l l s of t h e w o o d cells w i l l be d e p e n d e n t u p o n t h e species of w o o d i n v o l v e d . S e v e r a l e x p l a n a t i o n s of t h e s l o w r a t e of attack h a v e been p o s t u l a t e d , b u t t w o are w o r t h y of m a j o r consideration. Ascomycetes a n d F u n g i I m p e r f e c t i m a y r e q u i r e l a r g e r a m o u n t s of certain nutrients t h a n Basidiomycetes, and larger amounts t h a n n o r m a l l y occur i n w o o d . M o l d a n d s o f t - r o t f u n g i decay w o o d m o r e r a p i d l y w h e n t h e w o o d is p l a c e d i n soil; some decay w o o d m o r e r a p i d l y w h e n n i t r o g e n is added to t h e w o o d or to t h e m e d i u m i n w h i c h t h e w o o d is placed. B u t w e h a v e f o u n d t h a t t h e opposite m a y b e t r u e f o r c e r t a i n f u n g i . I t has b e e n s h o w n r e c e n t l y , h o w e v e r , t h a t t h e a m o u n t of a v a i l able n i t r o g e n m a r k e d l y affects t h e cellulase p r o d u c t i o n b y c e r t a i n f u n g i , a n d t h a t some f u n g i r e q u i r e l o w e r C : Ν r a t i o s t h a n occur i n w o o d i n o r d e r t o p r o d u c e detectable a m o u n t s of cellulase (M. LEVI, personal communication). T h e second p o s s i b i l i t y is t h a t B a s i d i o m y c e t e s possess a f o r m of cellulase w h i c h m o s t Ascomycetes a n d F u n g i I m p e r f e c t i lack. D e c a y b y t h e l a t t e r classes of f u n g i w o u l d b e d u e o n l y to t h e s l o w a c t i o n of Cx a n d C i enzymes, since these f u n g i w o u l d lack t h e " X " e n z y m e p o s t u l a t e d b y Ε . B . C O W L I N G ( 1 9 5 8 ) . A n e v e n m o r e a t t r a c t i v e possib i l i t y is t h a t t h i s " X " e n z y m e is a h e m i c e l l u l a s e o r a l i g n i n m o d i f y i n g e n z y m e w h i c h r e n d e r s t h e cellulose f i b r i l s m o r e accessible t o t h e C i a n d C X enzymes. T h e lack of such a n e n z y m e m i g h t be responsible f o r t h e p a t t e r n of attack b y s o f t - r o t f u n g i . Summary Common Fungi Imperfecti, such as species of Aspergillus and Penicillium, cause much of the deterioration of wood fiberboards used i n buildings i n the USA. These fungi also can cause a slow decay of wood. This decay is

Decay of Wood and Wood Fiberboards by Fungi Imperfecti

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similar to b r o w n - r o t : l i g n i n is attacked only slightly or not at all. Symptoms of typical soft-rot do not occur i n Populus species; instead, the F u n g i I m p e r fecti, like the w h i t e - r o t fungi, cause a gradual t h i n n i n g of the secondary cell walls. Zusammenfassung Zerstörung von Holz und Holzfaserplatten durch Fungi imperfecti Gewöhnliche Fungi imperfecti, w i e zum Beispiel Aspergillusu n d Penicillium-Arten, verursachen einen großen Teil der Zerstörung der i n den Gebäuden der Vereinigten Staaten von A m e r i k a benutzten Holzfaserplatten. Diese Pilze können auch eine langsame Fäulnis des Holzes hervorrufen, die einer Braunfäule ähnlich ist. Das L i g n i n w i r d n u r wenig oder überhaupt nicht angegriffen. Symptome der typischen Moderfäule kommen i n Populus-Arten nicht vor; statt dessen verursachen diese Pilze, w i e die Weißfäulepilze, eine allmähliche Verdünnung der Sekundärwand.

Résumé La détérioration du bois et des planches de fibres par Fungi imperfecti Fungi Imperfecti communs, par exemple les espèces d'Aspergillus et de Penicillium , sont responsables pour beaucoup de la détérioration des planches de fibres de bois q u i sont employées dans les bätiments aux Etats-Unis. Ces champignons peuvent causer aussi une lente pourriture d u bois. Cette pourriture est semblable à la pourriture brune: le lignine est attaqué seulement légèrement ou pas de tout. Les symptömes de la „soft rot" typique ne se présentent pas en les espèces de Populus; plutòt, ces champignons, comme les champignons q u i causent la pourriture bianche, causent une éclaircie graduelle des murs secondaires des cellules. Literature ANON.: A n n u a l report of the forest products research branch, Canada Dept. Forestry, A p r i l 1961—March 1962. 1962, 60 p. (Rev. Appi. Mycol. 42 [1963] 162). B A I L E Y , I . W , : The preservative treatment of wood. 1. The v a l i d i t y of certain theories concerning the penetration of gases and preservatives into wood. For. Quart. 11 (1913), 5—11. and V E S T A L , M . R . : The significance of certain wood-destroying fungi i n the study of enzymatic hydrolysis. J. A r n o l d A r b o r e t u m 18 (1937), 196—205.

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SCHACHT,

Address of the author: D r . WILLIAM

MERRILL,

Department of Plant Pathology, Pennsylvania State University, University Park, Penns. 16 802, U . S . A .

Uber den Abbau von Holzspanplatten durch Moderfäulepilze Von

HUBERT

WILLEITNER

I n s t i t u t für Holzbiologie u n d Holzschutz der Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft, Reinbeck (Deutschland)

Einleitung Holzspanplatten w e r d e n durch Pilze unter geeigneten U m w e l t b e d i n g u n g e n w e i t g e h e n d zerstört. D a b e i k ö n n e n außer B a s i d i o m y c e t e n auch die zu den Ascomyceten u n d F u n g i imperfecti gehörenden Moderfäulep i l z e v o r k o m m e n . Das V e r h a l t e n v o n H o l z s p a n p l a t t e n b e i m B e f a l l d u r c h B a s i d i o m y c e t e n w u r d e i n einer f r ü h e r e n A r b e i t n ä h e r d a r g e s t e l l t (H. WILLEITNER, 1965 b). I n d e r F o l g e w u r d e n diese U n t e r s u c h u n g e n auch auf M o d e r f ä u l e p i l z e ausgedehnt. B i s h e r s i n d ü b e r d e n B e f a l l v o n Holzspanplatten durch Moderfäulepilze keine größeren Untersuchungen durchgeführt worden. Lediglich I. STOLLEY ( 1 9 5 7 ) berichtet kurz über Versuche m i t S c h i m m e l - u n d B i ä u e p i l z e n . M a t e r i a l und Methode F ü r die U n t e r s u c h u n g e n w u r d e n d i e gleichen H o l z s p a n p l a t t e n w i e i n der f r ü h e r e n A r b e i t m i t B a s i d i o m y c e t e n v e r w e n d e t 1 (H. WILLEITNER, 1965 b). Es h a n d e l t sich u m f ü n f h a n d e l s ü b l i c h e P l a t t e n t y p e n sowie u m z w e i Versuchsplatten. A u f die Untersuchung v o n zwei weiteren, früher v e r w e n d e t e n T y p e n (F u n d J) w u r d e v e r z i c h t e t , da sie w e g e n i h r e r großen Ä h n l i c h k e i t zu den hier verwendeten P l a t t e n keine andersartig e n Ergebnisse e r w a r t e n ließen. D i e e i n z e l n e n P l a t t e n u n t e r s c h e i d e n sich s o w o h l h i n s i c h t l i c h S p a n f o r m u n d P l a t t e n a u f b a u als auch h i n s i c h t l i c h d e r A u s g a n g s h o l z a r t e n . Sechs T y p e n w a r e n H a r n s t o f f h a r z - v e r l e i m t , e i n P l a t t e n t y p w a r P h e n o l h a r z - v e r l e i m t . (Nähere A n g a b e n f i n d e n sich i n T a b . 1 d e r f r ü h e r e n A r b e i t . ) Versuchspilze w a r e n Chaetomium globosum Kunze, Paecilomyces spec, u n d Ceratocystis spec. D i e Versuche w u r d e n i n K o l l e s c h a l e n m i t 1

F ü r die Durchführung der mykologischen Versuche danke ich F r a u E. und Fräulein G. L A U .

SCHMEKAL

Hubert Willeitner

78

A b r a m s - A g a r (W. LIESE, 1961) d u r c h g e f ü h r t , w o b e i d i e P r o b e n u n m i t t e l b a r a u f d e m N ä h r b o d e n lagen. D i e Versuchszeit v a r i i e r t e v o n z w e i bis z w ö l f Wochen. A l s P r o b e n g r ö ß e h a t t e sich i n V o r v e r s u c h e n das F o r m a t 2,5 c m X 2,5 c m X P l a t t e n s t ä r k e als g ü n s t i g erwiesen, m i t d e r E i n s c h r ä n k u n g , daß b e i ü b e r 16 m m d i c k e n P l a t t e n d i e S t ä r k e a u f dieses Maß reduziert werden mußte. Z u r B e w e r t u n g des P i l z a n g r i f f s w u r d e der M a s s e v e r l u s t aus d e n D a r r g e w i c h t e n v o r u n d nach d e m P i l z a n g r i f f e r m i t t e l t . F e r n e r e r f o l g t e eine v i s u e l l e u n d m a n u e l l e B e g u t a c h t u n g der P r o b e n . A n z w e i P l a t t e n t y p e n gleichen A u f b a u e s , jedoch m i t H a r n s t o f f h a r z - u n d P h e n o l h a r z v e r l e i m u n g ( T y p e n C u n d D), w u r d e n zusätzlich d i e m i k r o m o r p h o l o gischen B e f a l l s s y m p t o m e u n t e r s u c h t 2 . H i e r z u w u r d e n aus d e m I n n e r n der P r o b e n Einzelspäne e n t n o m m e n , nach d e n H o l z a r t e n K i e f e r , F i c h t e u n d B u c h e g e t r e n n t u n d i n e i n e m Gemisch v o n 10°/oiger C h r o m s ä u r e + 10 °/oiger Salzsäure nach J e f f r e y m a z e r i e r t . D i e m i k r o s k o p i s c h e n U n t e r suchungen der M a z e r a t i o n s p r ä p a r a t e e r f o l g t e n i m H e l l - u n d D u n k e l f e l d sowie bei polarisiertem Licht.

Ergebnisse Bewuchs

und

Zerstörung

der

Proben

Die einzelnen Spanplattentypen w u r d e n v o n den Versuchspilzen u n t e r s c h i e d l i c h bewachsen, w o b e i Chaetomium u n d Ceratocystis überw i e g e n d e i n dichtes, Paecüomyces e i n zartes M y c e l a u s b i l d e t e n . Z u d e n v o n Vollholz her bekannten Bewuchsformen traten keine charakteristischen U n t e r s c h i e d e auf. Chaetomium entwickelte auf allen Proben zahlreiche k l e i n e , schwarze F r u c h t k ö r p e r . E i n V e r g l e i c h d e r P l a t t e n t y p e n u n t e r e i n a n d e r zeigt die Tendenz z u v e r s t ä r k t e m M y c e l w a c h s t u m auf P r o b e n m i t A n t e i l e n a n L a u b h o l z spänen, selbst b e i P r o b e n m i t A n t e i l e n a n M a k o r é s p à n e n , d i e gegenü b e r d e n B a s i d i o m y c e t e n eine h o h e D a u e r h a f t i g k e i t besitzen. Ü b e r das P i l z w a c h s t u m a u f der Oberfläche h i n a u s e r f o l g t e auch i n n e r h a l b d e r P r o b e n a u f d e n S p a n f l ä c h e n eine z. T . l e b h a f t e A u s b r e i t u n g der Pilze, w i e dies b e r e i t s f r ü h e r b e i d e n B a s i d i o m y c e t e n beobachtet w o r d e n w a r . Ceratocystis u n d Paecüomyces entwickelten hier e i n m e i s t spärliches, w e i ß l i c h e s M y c e l , w ä h r e n d Chaetomium auch i m P r o b e n i n n e r n zahlreiche schwarze F r u c h t k ö r p e r a u s b i l d e t e (Fig. 1). 2 F ü r die Anfertigung u n d Untersuchung der Mazerationspräparate danke ich Fräulein R. HAUSENDORFF.

A b b a u von Holzspanplatten durch Moderfäulepilze

79

Fig. 1. Wachstum von Moderfäulepilzen auf der Spanoberfläche i m Probeninnern, l i n k s : Paecilomyces; rechts: Chaetomium.

A u c h die A b b a u l e i s t u n g der P i l z e w a r unterschiedlich. Ceratocystis verursachte, m i t e i n e r A u s n a h m e , d i e größten, Paecilomyces stets d i e g e r i n g s t e n Masseverluste, w ä h r e n d b e i B u c h e n - u n d K i e f e r n v o l l h o l z p r o b e n Chaetomium b e i w e i t e m d i e g r ö ß t e A k t i v i t ä t zeigte (Tab. 1). T a b . 1. M a s s e v e r l u s t verschiedener H o l z s p a n p l a t t e n nach 12wöchigem A n g r i f f d u r c h d r e i M o d e r f ä u l e p i l z e ( M i t t e l w e r t aus 10 Proben).

!

i

:

jricuitriityp ;

Holzarten

j

!

Leimart

Okoumé/Limba

Masseverlust i n °/o durch

1 Chaetomium

Harnstoffharz

12,1

1 Kiefer/Fichte ; Kiefer/Fichte wenig Buche

Harnstoffharz Harnstoffharz

D

, wie C

Ε

1 Kiefer/Fichte

A b

c

G

Η

! Abachi

ί

Makoré + sehr wenig Kiefer Buche/Weichlaubh.

Vollholz a )

Buche

Vollholz a )

Kiefer

11,0

7,0

6,0

7,6

3,9

9,0

11,3

7,0

Phenolharz

9,1

11,3

8,2

Harnstoffharz

3,7

4,4

3,0

Harnstoffharz

2,5

7,9

2,6

11,7

13,6

9,0

10,3

1,9

2,2

0,2

Harnstoffharz

50 °/o Makoré 20 °/o Kiefer 20 °/o Buche ; 10 °/o Weichlaubh.

Cerato- \1 Paecilocystis \• myces

!

25,4

j

a) P r o b e n g r ö ß e 1,5 c m X 1,5 c m χ 2 c m .

j

4,5

!

1

Hubert Willeitner

80

B e i d e n H o l z s p a n p l a t t e n t r a t e n b e r e i t s nach 2 W o c h e n Versuchszeit m e ß b a r e M a s s e v e r l u s t e auf. N a c h 2 M o n a t e n l a g e i n d e u t l i c h e r A n g r i f f v o r (Fig. 2). Das A u s m a ß u n d der A n s t i e g des P i l z a n g r i f f s u n d i n s besondere des Masseverlustes s i n d a l l e r d i n g s b e i d e n u n t e r s u c h t e n M o d e r f ä u l e p i l z e n w e s e n t l i c h g e r i n g e r als b e i d e n B a s i d i o m y c e t e n .

0

2

4

6

Wochen

8

10

12

Fig. 2. Zunahme des Masseverlustes m i t der Versuchszeit bei einer Harnstoffharz-gebundenen Nadelholzspanplatte m i t geringen Beimengungen an Buchenholzspänen

D e r A n g r i f f d u r c h M o d e r f ä u l e p i l z e f ü h r t e , ebenso w i e b e i B a s i d i o m y c e t e n , n i c h t n u r z u e i n e m M a s s e v e r l u s t s o n d e r n auch z u einer mechanischen S c h w ä c h u n g des Plattengefüges, so daß d i e P r o b e n v o n H a n d zerbrochen w e r d e n k o n n t e n . D a g e g e n f e h l t e n m a k r o s k o p i s c h d e u t l i c h h e r v o r t r e t e n d e B e f a l l s m e r k m a l e . D a h e r w u r d e a u f eine abgestufte v i s u e l l - m a n u e l l e B e u r t e i l u n g eines Zerstörungsgrades, w i e er b e i d e n V e r s u c h e n m i t B a s i d i o m y c e t e n b e s t i m m t w o r d e n w a r (H. WILLEITNER, 1965 a), v o r e r s t v e r z i c h t e t . U n t e r d e n verschiedenen S p a n p l a t t e n t y p e n w a r , ä h n l i c h w i e b e i m Mycelwachstum, die Zerstörungsintensität bei den Laubholz enthaltend e n P r o b e n s t ä r k e r als b e i d e n r e i n e n N a d e l h o l z s p a n p l a t t e n . D a g e g e n w u r d e n die aus g l e i c h e n A u s g a n g s s p ä n e n u n t e r V e r w e n d u n g verschiedener B i n d e m i t t e l h e r g e s t e l l t e n P l a t t e n - T y p e n C ( H a r n s t o f f h a r z - v e r l e i m t ) u n d D ( P h e n o l h a r z - v e r l e i m t ) g l e i c h s t a r k zerstört. B e i E n t n a h m e d e r Einzelspäne aus d e n P r o b e n d e r T y p e n C u n d D f ü r d i e m i k r o -

A b b a u von Holzspanplatten durch Moderfäulepilze

81

skopischen U n t e r s u c h u n g e n zeigte sich, daß die Buchenholzspäne m i t f o r t g e s c h r i t t e n e m P i l z a n g r i f f v i e l f a c h z u n e h m e n d zerfielen, w ä h r e n d die K i e f e r n - u n d F i c h t e n h o l z s p ä n e noch e i n e n durchaus festen E i n d r u c k machten.

Mikroskopische

B e f a l l s m e r k m a l e

D e r bereits m a k r o s k o p i s c h e r k e n n b a r e u n t e r s c h i e d l i c h e P i l z b e f a l l a n d e n B u c h e n - b z w . N a d e l h o l z s p ä n e n der P l a t t e n t y p e n C u n d D t r a t i n d e m m i k r o m o r p h o l o g i s c h e n B e f a l l s b i l d der M a z e r a t i o n s p r ä p a r a t e besonders ausgeprägt h e r v o r . D i e Buchenholzspäne w u r d e n j e w e i l s v o n Versuchsbeginn an stark angegriffen, w ä h r e n d an den K i e f e r n - u n d F i c h t e n h o l z s p ä n e n erst nach l ä n g e r e r Versuchszeit e i n s t ä r k e r e r A b b a u v o r l a g . D e r stärkste A n g r i f f e r f o l g t e d u r c h Ceratocystis, w o b e i gegenü b e r Chaetomium n u r eine v e r h ä l t n i s m ä ß i g g e r i n g e S t e i g e r u n g v o r lag, m i t A u s n a h m e der Gefäße, die v o n Ceratocystis wesentlich stärk e r zerstört w u r d e n . D e r v o n Paecilomyces verursachte A b b a u w a r demgegenüber m e r k l i c h geringer. Die aufgetretenen Abbaumuster w a r e n b e i Chaetomium a m d e u t l i c h s t e n ausgeprägt, w e s h a l b d i e V e r h ä l t n i s s e a m B e i s p i e l dieses Pilzes n ä h e r d a r g e s t e l l t w e r d e n sollen. D i e beobachteten A b b a u m u s t e r entsprachen d e n v o n H . COURTOIS (1963) a u s f ü h r l i c h beschriebenen, w o b e i z y l i n d r i s c h e K a v e r n e n m i t z u g e s p i t z t e n E n d e n i n verschiedenen A u s b i l d u n g s f o r m e n u n d s p i r a l f ö r m i g i n der S e k u n d ä r w a n d v e r l a u f e n d e M u s t e r b e i w e i t e m ü b e r w o g e n . D i e e i n d e u t i g e Z u o r d n u n g der h i e r festgestellten A b b a u m u s t e r z u d e n v o n H . COURTOIS a u f g e s t e l l t e n F o r m e n g r u p p e n b e r e i t e t e jedoch S c h w i e r i g k e i t e n , da n u r selten eine k l a r e A b g r e n z u n g v o r l a g . V i e l m e h r w a r e n die V e r h ä l t n i s s e ausgesprochen fließend, u n d b e s t i m m t e A b b a u m u s t e r t r a t e n i n charakteristischer z e i t l i c h e r F o l g e m i t f o r t s c h r e i t e n d e m B e f a l l n a c h e i n a n d e r auf. A n B u c h e n h o l z f a s e r n l a g e n b e r e i t s nach 2 W o c h e n Versuchszeit v e r schiedene A b b a u m u s t e r v o r , w o b e i feine, fast r i ß - oder r i l l e n f ö r m i g e K a v e r n e n ü b e r w o g e n (Fig. 3 a). D a n e b e n b e s t a n d auch e i n A n g r i f f v o m Z e l l u m e n her. Nach 3 W o c h e n h a t t e n sich die K a v e r n e n m e r k l i c h v e r g r ö ß e r t u n d r i ß - oder r i l l e n f ö r m i g e F i g u r e n t r a t e n n u r noch v e r e i n z e l t auf. N a c h 4 W o c h e n b e g a n n e n d i e K a v e r n e n t e i l w e i s e k e t t e n f ö r m i g z u verschmelzen. I n der F o l g e v e r g r ö ß e r t e n sie sich w è l t e r (Fig. 3 b). G l e i c h z e i t i g k o n n t e auch e i n P i l z a n g r i f f v o n der Z e l l w a n d b e g r e n z u n g h e r beobachtet w e r d e n . N a c h e t w a 8 bis 10 W o c h e n Versuchszeit v e r ä n d e r t e sich das B e f a l l s b i l d , abgesehen v o n e i n e r w e i t e r e n G r ö ß e n z u n a h m e der K a v e r n e n , b e i d e n B u c h e n h o l z s p ä n e n n u r noch u n w e s e n t lich. N a c h 12 W o c h e n w a r e n d i e F a s e r n v e r e i n z e l t aufgelöst. N e b e n diesen m i t der Versuchszeit größer w e r d e n d e n K a v e r n e n t r a t e n jedoch 6 M a t e r i a l u n d Organismen, B e i h e f t 1

82

Hubert Willeitner

Fig. 3. Buchenholzfasern nach 2-, 8- und 10wöchigem Angriff durch Chaetomium: a) Feine, r i ß - oder rillenförmige Kavernen; b) Verschmelzen von Kavernen; c) Kavernen verschiedener Größe.

auch b e i d e n B u c h e n h o l z s p ä n e n selbst nach 12 W o c h e n Versuchszeit noch k l e i n e , feine K a v e r n e n auf (Fig. 3 c). A l l g e m e i n k o n n t e dieses N e b e n e i n a n d e r v o n K a v e r n e n i m A n f a n g u n d i n sehr f o r t g e s c h r i t t e n e m S t a d i u m i n n e r h a l b eines Z e l l e l e m e n t s h ä u f i g beobachtet w e r d e n . D i e W e i t e r e n t w i c k l u n g des B e f a l l s b i l d e s k a m besonders d e u t l i c h i n der Z u n a h m e der K a v e r n e n ö f f n u n g s w i n k e l m i t der Versuchszeit z u m A u s d r u c k (Tab. 2). D i e K i e f e r n - u n d F i c h t e n h o l z s p ä n e w u r d e n ü b e r d e n gesamten V e r suchszeitraum w e i t w e n i g e r abgebaut. Z w a r l a g e n auch h i e r bereits nach 2 W o c h e n P i l z a n g r i f f i n der S e k u n d ä r w a n d feine, r i ß f ö r m i g e

Abbau von Holzspanplatten durch Moderfäulepilze

83

T a b . 2. Öffnungswinkel der Kavernenenden i n Buchenholzfasern nach verschieden langem Angriff durch Chaetomium. Versuchszeit Wochen 2

! ;

Öffnungswinkel Grad

| .

Anzahl Messungen

nicht meßbar

3

15 . .. . 19, 9 . . . 26

4

2 4 . . , . 43, 5 . . . 76

31

6

1 8 . , . . 46, 3 . . . 78

51

8

3 1 . .. . 58, 8 . . . 69

18

10

4 4 . . . . 68, 5 . . . 82

16

22

Werte nach H. COURTOIS (1963) a) W e r t e nicht speziell f ü r

5 9 . . . . 7 1 , 6 . . . 82*)

8

Chaetomium.

Kavernen vor, doch veränderten sich diese nur sehr langsam, und die Kavernengröße nahm erst über einen längeren Versuchszeitraum allmählich zu. Charakteristisch war eine treppenartige Anordnung der Kavernen (Fig. 4). Bei Kiefernholz schien der Pilzangriff etwas stärker als bei Fichtenholz zu sein, doch waren die feinen Kavernen bei Fichte zu längeren rißartigen Ketten verbunden (Fig. 4). Demgegenüber konnten bei Kiefernholz z. T. spiralförmig i n der Sekundärwand verlaufende Kavernen beobachtet werden (Fig. 5). Bei beiden Holzarten trat ein stärkerer Befall erst nach etwa 8 bis 10 Wochen Versuchszeit hervor. Dadurch entstand i m Gegensatz zu dem ausgesprochen fließenden Befallsbild bei den Buchenholzspänen bei Kiefern- und Fichtenholzspänen ein gewisser gleichförmiger Eindruck. Die hier dargestellten Verhältnisse lagen sowohl an den Harnstoffharz- als auch an den Phenolharz-gebundenen Platten vor. Zwischen den Abbaumerkmalen beider Plattentypen, die, mit Ausnahme der verschiedenen Bindemittelart, einen gleichen Aufbau hatten, konnten keine eindeutigen Unterschiede festgestellt werden. Auftretende A b weichungen müssen vielmehr als i m Rahmen der Streuung liegend angesehen werden. Diskussion

Holzspanplatten können durch Moderfäulepilze stark zerstört werden, wenn auch die hier festgestellten Masseverluste und der Grad der A u f lösung des Plattengefüges hinter den früher für Basidiomyceten, insbesonders für Coniophora cer ebella an dem gleichen Versuchsmaterial 6*

Hubert Willeitner

84

Fig. 4. Treppenartig angeordnete Kavernen i n einer Fichtenholztracheide nach 10 Wochen Angriff durch Chaetomium. Fig. 5. Spiralförmige Kavernen i n einer K i e fernholztracheide nach 4 Wochen Angriff durch Chaetomium.

festgestellten W e r t e n (H. WILLEITNER, 1965 a u. b) z u r ü c k b l i e b e n . Dieses E r g e b n i s w a r a u f G r u n d der i m l e t z t e n J a h r z e h n t m i t diesen P i l z e n g e s a m m e l t e n E r f a h r u n g e n z u e r w a r t e n (z. B . W . P. K . FINDLAY U. J. G. SAVORY, 1 9 5 4 ; Η . B E L L M A N N ,

1 9 6 1 ; W . LIESE,

1963).

F ü r das A u s m a ß der v o n M o d e r f ä u l e p i l z e n a n H o l z s p a n p l a t t e n v e r ursachten Z e r s t ö r u n g e n ist das V o r h a n d e n s e i n u n d der A n t e i l a n l e i c h t z e r s t ö r b a r e n L a u b h o l z s p ä n e n entscheidend. D i e ü b r i g e n P l a t t e n e i g e n schaften, d i e f ü r d i e Z e r s t ö r u n g s i n t e n s i t ä t v o n B a s i d i o m y c e t e n eine R o l l e spielen, ü b e n h i e r k e i n e n m e r k l i c h e n E i n f l u ß aus, s o n d e r n w e r d e n v o n d e m der H o l z a r t ü b e r l a g e r t . D a b e i ist besonders b e m e r k e n s w e r t , daß auch das v e r w e n d e t e B i n d e m i t t e l b e i d e n 2 i m ü b r i g e n g l e i c h a r t i g a u f g e b a u t e n P l a t t e n t y p e n C (Harnstoffharz) u n d D (Phenolharz) k e i n e n ausschlaggebenden E i n f l u ß auf d e n P i l z a n g r i f f ausübte, w i e es b e i d e n B a s i d i o m y c e t e n der F a l l w a r . F ü r Chaetomium u n d Ceratocystis wurd e n i n b e i d e n F ä l l e n g l e i c h große M a s s e v e r l u s t e e r z i e l t ; f ü r Paecilomyces schien das P h e n o l h a r z , das auf B a s i d i o m y c e t e n s t a r k bis fast v ö l l i g w a c h s t u m s h e m m e n d w i r k t e , sogar einen f ö r d e r n d e n E i n f l u ß auszuüben. Diese Tatsache ist jedoch n i c h t überraschend, w e n n m a n die h o h e Resistenz der M o d e r f ä u l e p i l z e i m a l l g e m e i n e n (ζ. B . W . LIESE. 1963) u n d i h r e

Abbau von Holzspanplatten durch Moderfäulepilze

85

gute Verträglichkeit gegenüber bestimmten phenolischen Stoffen i m besonderen ( G . T H E D E N , 1 9 6 1 ) berücksichtigt. Die große Bedeutung der Ausgangsholzarten für die Entwicklung der Moderfäulepilze t r i t t besonders klar bei einem Vergleich der Plattentypen mit geringen Beimengungen an Buchenholzspänen (C und D) m i t den reinen Nadelholzspanplatten Β und E hervor. Dabei sind die hohe Anfälligkeit von Buchenholz ebenso wie die beachtliche Resistenz von Nadelhölzern gegenüber Moderfäulepilzen allgemein bekannt (ζ. B. W. L I E S E , 1961). Sie ergaben sich auch bei den als Vergleichsproben untersuchten Buchen- und Kiefernvollholzproben. Auffallend ist jedoch das Ausmaß der Förderung des Masseverlustes selbst durch geringe Anteile an Buchenholzspänen, die bevorzugt befallen werden. Die Erscheinung eines gewissen selektiven Pilzangriffs kommt hier viel klarer zum Ausdruck als bei den Versuchen mit Basidiomyceten. Ein Vergleich der Abbauleistungen an Holzspanplatten mit Vollholzproben ergibt bei den verschiedenen Plattentypen unter Berücksichtigung ihrer Zusammensetzung aus Nadel- und Laubholzspänen für Ceratocystis und Paecilomyces eine deutliche Steigerung des Masseverlustes, die bei Paecilomyces besonders ausgeprägt war. Für Chaetomium ist dagegen teilweise eine geringe Hemmung anzunehmen. Bei einem derartigen Vergleich ist zu beachten, daß die Masseverluste nur jeweils auf die gesamten Proben und nicht allein auf die leicht zerstörbaren Anteile bezogen werden konnten. Die Steigerung des Pilzangriffs bei Holzspanplatten sowie der selekt i v bevorzugte Angriff auf leicht zerstörbare Plattenbestandteile w i r d durch den Aufbau der Holzspanplatten aus zahlreichen kleinen Holzteilchen, die angenähert als Einzelproben aufzufassen sind, erleichtert. Hierauf wurde bereits i n der vorangegangenen Arbeit m i t Basidiomyceten näher eingegangen ( H . W I L L E I T N E R , 1 9 6 5 b). Auch für die Moderfäulepilze erfolgte eine Ausbreitung auf der Spanoberfläche innerhalb des Plattengefüges, wodurch ein rasches Fortschreiten des Pilzwachstums in das Platteninnere und insbesondere ein selektiver Angriff auf einzelne Plattenbestandteile begünstigt wird. A n der gesteigerten Abbauleistung bei Holzspanplatten kann ferner das verwendete Bindemittel beteiligt sein, wobei hier — i m Gegensatz zu den Basidiomyceten — eine Förderung durch das Phenolharz vorliegt. Die Untersuchung der mikromorphologischen Befallsmerkmale bestätigte die aus den ermittelten Masseverlusten gezogenen Schlußfolgerungen hinsichtlich eines selektiv bevorzugten Befalls der leicht abzubauenden Plattenbestandteile. Es zeigte sich, daß zwar von Versuchsbeginn an ein Angriff sowohl auf die Buchenholz- als auch auf die Nadelholzspäne erfolgte, daß der Abbau jedoch bei den Buchenholzspänen i m Gegensatz zu den Nadelholzspänen sehr rasch fortschreitet.

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Hubert Willeitner

I m R a h m e n der a l l g e m e i n e n K e n n t n i s s e ü b e r d i e Z e r s t ö r u n g s i n t e n s i t ä t v o n M o d e r f ä u l e p i l z e n b e i L a u b - u n d N a d e l h ö l z e r n (z. B . N . H . CORBETT, 1965; W . LIESE, 1961, 1963, 1964) u n t e r s t r e i c h e n die v o r l i e g e n d e n E r g e b nisse erneut, daß selbst u n t e r so g l e i c h a r t i g e n V e r s u c h s b e d i n g u n g e n , w i e sie i n n e r h a l b v o n H o l z s p a n p l a t t e n p r o b e n v o r l i e g e n , B u c h e n h o l z e r h e b l i c h schneller u n d s t ä r k e r a b g e b a u t w i r d als K i e f e r n - u n d F i c h t e n holz. D i e beobachteten B e f a l l s m u s t e r o r d n e n sich g u t i n die b i s h e r i g e n Ergebnisse ein, w i e sie i n verschiedenen A r b e i t e n (z. B . N . H . CORBETT, 1965; W . LIESE, 1964) u n d insbesondere v o n H . COURTOIS (1963) n ä h e r d a r g e s t e l l t w u r d e n . D i e h i e r beobachteten u n t e r s c h i e d l i c h e n u n d gem e i n s a m e n A b b a u f o r m e n b e i verschiedenen P i l z e n u n d H o l z a r t e n e n t sprechen w e i t g e h e n d d e n b i s h e r i g e n Ergebnissen. A l l e r d i n g s k o n n t e n d i e verschiedenen B e f a l l s m u s t e r z u m i n d e s t b e i B u c h e n h o l z n i c h t so k l a r b e s t i m m t e n F o r m e n g r u p p e n z u g e o r d n e t w e r d e n , w i e es H . COURTOIS (1963) g e t a n h a t . Dies l i e g t a n d e n ausgesprochen fließenden V e r h ä l t nissen des s t ä n d i g e n sich W e i t e r e n t w i c k e l n s der A b b a u m u s t e r , das W . LIESE (1964) a u s f ü h r l i c h beschreibt. D i e V e r ä n d e r u n g d e r A b b a u m u s t e r ist b e i d e n z y l i n d r i s c h e n K a v e r n e n besonders d e u t l i c h , t r i t t aber auch b e i M u s t e r n auf, die nach H . COURTOIS a n d e r e n F o r m e n g r u p p e n z u z u o r d n e n sind.

Fig. 6. Kavernen m i t spitzen Öffnungswinkeln (Kiefer, 10 Wochen Angriff durch Chaetomium).

A u f s c h l u ß r e i c h ist i n diesem Z u s a m m e n h a n g auch d i e m i t der V e r suchszeit k o n t i n u i e r l i c h e Z u n a h m e d e r Ö f f n u n g s w i n k e l der E n d e n v o n z y l i n d r i s c h e n K a v e r n e n , w o b e i das A u f t r e t e n ausgesprochen spitzer Ö f f n u n g s w i n k e l (Fig. 6) besonders b e m e r k e n s w e r t ist. D i e Z u n a h m e der Ö f f n u n g s w i n k e l k a n n d u r c h die v o n W . LIESE (1966) a u f g e s t e l l t e T h e o r i e ü b e r d i e A b h ä n g i g k e i t d e r K a v e r n e n b i l d u n g v o n d e r O r i e n t i e r u n g der Z e l l u l o s e f i b r i l l e n i n der Z e l l w a n d e r k l ä r t w e r d e n . D a n a c h w e r d e n m i t

A b b a u von Holzspanplatten durch Moderfäulepilze

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f o r t s c h r e i t e n d e m Z e l l w a n d a b b a u Schichten m i t flacheren Fibrillens t e i g u n g s w i n k e l n erfaßt, w o d u r c h d i e Ö f f n u n g s w i n k e l z u n e h m e n . D i e g r o ß e n S t r e u u n g e n der Ö f f n u n g s w i n k e l , d i e auch H . C O U R T O I S ( 1 9 6 3 ) f ü r verschiedene H o l z a r t e n feststellte, s i n d a u f das gleichzeitige V o r l i e g e n v o n K a v e r n e n i m A n f a n g s - u n d i n f o r t g e s c h r i t t e n e m S t a d i u m , d. h. v o n K a v e r n e n m i t s p i t z e n u n d m i t flachen Ö f f n u n g s w i n k e l n , z u r ü c k z u f ü h r e n . Zusammenfassung Es wurde der A b b a u von 7 Holzspanplatten verschiedener Zusammensetzung durch die Moderfäulepilze Chaetomium globosum, Ceratocystis spec. und Paecilomyces spec, untersucht. Proben m i t A n t e i l e n an Laubholzspänen erlitten größere Masseverluste als reine Nadelholzspanplatten. Dagegen traten zwischen Harnstoffharz- u n d Phenolharz-gebundenen Spanplatten keine deutlichen Unterschiede auf. Mikroskopische Untersuchungen an zwei P l a t tentypen ergaben, daß innerhalb einer Probe jeweils die Buchenholzspäne gegenüber den K i e f e r n - und Fichtenholzspänen ungleich stärker zerstört waren. I n den Zellwänden der Holzfasern bzw. Tracheiden w u r d e n zahlreiche Ausbildungsformen der Kavernen gefunden, die bei den drei Holzarten m i t unterschiedlicher Häufigkeit vorkamen. Anzahl u n d Größe der Kavernen nahmen m i t der Versuchszeit zu.

Summary On the decomposition of particle boards by soft rot fungi A study was made on 7 particle boards of different composition, w i t h regard to their decay due to the activity of soft rot fungi, viz. Chaetomium globosum, Ceratocystis spec, and Paecilomyces spec. I n specimens w i t h a percentage of wood particles from hardwood species, the rate of decay was greater than i n pure softwood particle boards, w h i l s t no remarkable difference was found between reactions of urea-resin bonded and phenolic-resin bonded boards. Microscopical examination of t w o types of particle boards proved that beech chips, contrary to pine and spruce particles contained i n the same specimen, were u t t e r l y decomposed. I n cell walls of fibres or tracheids respectively, numerous forms of cavities were found, v a r y i n g i n abundance w i t h each of the three wood species. Number and size of cavities were growing i n proportion w i t h time.

Résumé Sur la décomposition des panneaux de particules par les champignons de la pourriture molle L'étude est faite sur la décomposition de 7 panneaux de particules de différentes compositions, pourries par champignons des espèces de Chaetomium globosum , de Ceratocystis spec, et de Paecilomyces spec. Les échantillons contenant des proportions de particules en bois feuillu ont souffert une réduction plus grande que les panneaux en particules de bois résineux seul.

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Cependant, i l n'y avait pas de difference remarquable entre les réactions des panneaux agglomérés à base d'urée et de résines phénoliques. Des investigations microscopiques de deux classes de panneaux ont démontré que, p a r m i les particules de chacun panneau, Celles d u bois de hètre, contraire aux particules de p i n et d'épicéa, étaient fort réduites. Dans les membranes des fibres de bois respectivement des trachéides, on a trouvé une grande variation de cavernes dont l'abondance variait avec chacune des trois essences de bois. Nombre et dimension des cavernes croissaient avec le temps d'essais. Schrifttum Z u r Kenntnis der Zerstörung von Nadelhölzern durch Moderfäulepilze. Holz Roh- u. Werkst. 19 (1961), 11, 429—434. CORBETT, Ν. H.: Micro-morphological studies on the degradation of lignified cell walls by Ascomycetes and Fungi imperfecti. J. Inst. Wood Sci. (1965), 14, 18—29. COURTOIS, H . : Mikromorphologische Befallssymptome beim Holzabbau durch Moderfäulepilze. Holzforsch. Holzverwert. 15 (1963), 5, 88—101. F I N D L A Y , W . P . K . U . SAVORY, J . G . : Moderfäule. Die Zersetzung von Holz durch niedere Pilze. Holz Roh- u. Werkst. 12 (1954), 8, 293—296. LIESE, W.: Uber die natürliche Dauerhaftigkeit einheimischer und tropischer Holzarten gegenüber Moderfäulepilzen. M i t t . Dt. Ges. f. Holzforsch. Nr. 48, 1961, 18—28. L I E S E , W. : Neue Befunde über den A b b a u des Holzes durch Pilze. Holz-Zbl. 89 (1963), 34, 505—507. L I E S E , W . : Über den A b b a u verholzter Zellwände durch Moderfäulepilze. Holz Roh- u. Werkst. 22 (1964), 8, 289—295. L I E S E , W.: Mikromorphologische Veränderungen beim Holzabbau durch Pilze. Material und Organismen, Beiheft 1, 1966, 13—26. S T O L L E Y , I. : Befall von Holzspanplatten durch Schimmel- und Bläuepilze. Ber. Dt. Ges. Holzforsch. (1957), 1, 20—21. T H E D E N , G.: Bestimmung der Wirksamkeit von Holzschutzmitteln gegenüber Moderfäulepilzen durch ein Erd-Eingrabe-Verfahren. Holz Roh- u. Werkst. 19 (1961), 352—357. W I L L E I T N E R , H.: Über die mykologische Prüfung von Holzspanplatten. M a terialprüf. 7 (1965 a), 4, 129—134. W I L L E I T N E R , H.: Das Verhalten von Holzspanplatten beim Befall durch Pilze. — 1. M i t t . : Zerstörung von Spanplatten durch Basidiomyceten. Holz Roh- u. Werkst. 23 (1965 b), 7, 264—271. BELLMANN, Η . :

Anschrift des Verfassers: D r . HUBERT WILLEITNER

I n s t i t u t für Holzbiologie und Holzschutz der Bundesforschungsanstalt für Forst- u n d Holzwirtschaft, 2057 Reinbek, Bundesrepublik Deutschland

Chemische Veränderungen von Holz durch Organismen

Chemical modification of Wood by Organisms

Altérations Chimiques du Bois par des Organismes

Chemical Modification of Wood During Microbial Deterioration By

ELLIS B . COWLING

Department of Plant Pathology, N o r t h Carolina State University Raleigh, N o r t h Carolina (U. S. A.)

W o o d d e t e r i o r a t i o n is caused b y m i c r o o r g a n i s m s t h a t i n h a b i t t h e cells of w o o d a n d o b t a i n t h e i r n o u r i s h m e n t b y m e t a b o l i z i n g t h e w o o d c e l l w a l l constituents. W o o d c e l l w a l l s are composed p r i m a r i l y of cellulose, h e m i c e l l u l o s e s a n d l i g n i n . B e f o r e these h i g h m o l e c u l a r w e i g h t , i n s o l u b l e m a t e r i a l s can be assimilated, t h e y m u s t be d e p o l y m e r i z e d b y e x t r a c e l l u l a r enzymes s y n t h e s i z e d a n d secreted b y t h e f u n g i . T h u s , t h e c h e m i s t r y of w o o d d e t e r i o r a t i o n is e s s e n t i a l l y t h e c h e m i s t r y of t h e e n z y m a t i c processes b y w h i c h these h i g h p o l y m e r i c m a t e r i a l s are d e g r a d e d t o m o l e c u l a r f r a g m e n t s t h a t are s m a l l e n o u g h to be assimil a t e d b y t h e f u n g i a n d t h e n f u r t h e r m e t a b o l i z e d to p r o v i d e t h e e n e r g y a n d substances r e q u i r e d f o r f u n g a l g r o w t h . U n d e r s t a n d i n g t h e c h e m i s t r y of w o o d decay r e q u i r e s k n o w l e d g e of: 1) t h e c h e m i c a l n a t u r e a n d s t r u c t u r e of w o o d c e l l w a l l constituents, 2) t h e n a t u r e of t h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l associations a m o n g t h e c o n s t i t u e n t s as t h e y occur i n w o o d , 3) t h e i r heterogeneous d i s t r i b u t i o n across w o o d c e l l w a l l s , 4) t h e m e c h a n i s m of a c t i o n of t h e several enzymes i n v o l v e d i n d e p o l y m e r i z a t i o n of t h e v a r i o u s constituents, a n d 5) t h e d i v e r s i t y of e n z y m a t i c capacities of t h e v a r i o u s t y p e s a n d species of w o o d - d e s t r o y i n g f u n g i . T h e f i r s t t h r e e of these topics are b e y o n d t h e scope of t h i s r e v i e w a n d w i l l b e t r e a t e d o n l y c u r s o r i l y . W i t h t h e e x c e p t i o n of c e l l u l o l y t i c enzymes, c o m p a r a t i v e l y l i t t l e is k n o w n c o n c e r n i n g t h e f o u r t h t o p i c . T h u s , t h e b u l k of f o l l o w i n g discussion w i l l be d e v o t e d to t h e last t o p i c as r e v e a l e d b y c o m p a r a t i v e studies of t h e p r o g r e s s i v e changes i n w o o d d u r i n g decay b y t h e t w o m a j o r t y p e s of w o o d - d e s t r o y i n g o r g a nisms — w h i t e - r o t a n d b r o w n - r o t f u n g i . A s i m i l a r d e s c r i p t i o n of t h e effects of s o f t - r o t f u n g i has been g i v e n i n t h i s v o l u m e b y M . P. LEVI (1966).

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Ellis Β. Cowling Structure of wood constituents

C e l l u l o s e i n w o o d is i d e n t i c a l w i t h t h a t i n c o t t o n a n d o t h e r n a t u r a l f i b e r s i n t h a t i t is composed of d - g l u c o p y r a n o s e u n i t s l i n k e d b y 1,4/?-glucosidic bonds i n t o l i n e a r molecules of a v e r y h i g h degree of p o l y m e r i z a t i o n (up to 12 000 or more). These m o l e c u l e s i n t u r n are b o u n d l a t e r a l l y b y h y d r o g e n bonds a n d V a n d e r W a a l forces i n t o a l i n e a r m i c e l l a r s t r u c t u r e w h o s e c o m p o n e n t molecules are associated i n v a r i o u s degrees of p a r a l l e l i s m w i t h i n m u l t i m o l e c u l a r strands c a l l e d m i c r o f i b r i l l s . T h e cellulose molecules n e a r t h e center of t h e m i c r o fibrills are m o r e p e r f e c t l y a l i g n e d a n d densely packed t h a n those n e a r t h e surface of these s t r u c t u r e s . T h u s t h e c r y s t a l l i n e core of m i c r o f i b r i l l s is s u r r o u n d e d b y a sheath of less c r y s t a l l i n e cellulose, h e m i celluloses a n d l i g n i n . T h e h e m i c e l l u l o s e s of w o o d i n c l u d e b o t h h o m o - a n d h e t e r o p o l y m e r s of glucose, mannose, galactose, arabinose, a n d x y l o s e a n d t h e i r u r o n i c acids. T h e h e m i c e l l u l o s e s are m u c h l o w e r i n degree of p o l y m e r i z a t i o n t h a n cellulose a n d are n o t b e l i e v e d to f o r m c r y s t a l l i n e aggregates. A s i n d i c a t e d above, t h e y are deposited w i t h i n w o o d c e l l w a l l s (together w i t h l i g n i n ) as a n a m o r p h o u s m a t r i x s u r r o u n d i n g t h e c r y s t a l l i n e core of t h e m i c r o f i b r i l l s . L i g n i n is a c o m p l e x , 3 - d i m e n s i o n a l p o l y m e r of p h e n y l p r o p a n e g r o u p s l i n k e d b y a v a r i e t y of c a r b o n to c a r b o n a n d e t h e r l i n k a g e s . I t s d e t a i l e d s t r u c t u r e as y e t is p o o r l y d e f i n e d a l t h o u g h c o n s i d e r a b l e p r o gress i n u n d e r s t a n d i n g t h e n a t u r e of i t s c o n s t i t u e n t m o n o m e r u n i t s a n d l i n k a g e s has been m a d e i n recent years ( W . J . S C H U B E R T , 1 9 6 5 ) .

Distribution of cell w a l l constituents T h e w a l l s of w o o d cells h a v e a m u l t i l a y e r a l s t r u c t u r e . T h e t r u e i n t e r c e l l u l a r substance a n d a d j a c e n t p r i m a r y w a l l s c o m p r i s e t h e soc a l l e d c o m p o u n d m i d d l e l a m e l l a . T h i s l a y e r consists m a i n l y of l i g n i n a n d is separated f r o m t h e l u m e n s of w o o d cells b y t h i c k secondary w a l l s t h a t c o n t a i n cellulose a n d t h e h e m i c e l l u l o s e s p r i m a r i l y . T h e p a c k i n g d e n s i t y of t h e c e l l w a l l substances is g r e a t e r n e a r t h e c e l l l u m e n s a n d less i n t h e c o m p o u n d m i d d l e l a m e l l a . T h e v a r i o u s l a y e r s of t h e secondary w a l l s are d i s t i n g u i s h e d b y t h e i r thickness a n d t h e o r i e n t a t i o n of m i c r o f i b r i l l s w i t h i n t h e m : t h e i n n e r m o s t a n d o u t e r m o s t l a y e r s (SI a n d S3, r e s p e c t i v e l y ) are m u c h t h i n n e r t h a n t h e c e n t r a l S2 l a y e r . T h e m i c r o f i b r i l l s i n t h e S2 l a y e r are o r i e n t e d n e a r l y p a r a l l e l w i t h t h e c e l l a x i s w h e r e a s those i n t h e SI a n d S3 are o r i e n t e d at a considerable a n g l e w i t h respect to t h e c e l l axis.

Chemical Modification of Wood D u r i n g Microbial Deterioration

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W i t h i n t h e secondary w a l l s of w o o d cells, l i g n i n is deposited i n t h e spaces b e t w e e n m i c r o f i b r i l l s a n d i n t h e p a r a c r y s t a l l i n e c o r t e x w i t h i n these structures. A l t h o u g h a l i g n i n - c a r b o h y d r a t e c h e m i c a l b o n d has been p o s t u l a t e d , t h e association m a y be l a r g e l y p h y s i c a l i n n a t u r e — the l i g n i n and wood carbohydrates f o r m i n g a m u t u a l l y interpenetrating s y s t e m of p o l y m e r s . T h i s i n t i m a t e p h y s i c a l ( a n d / o r chemical) assoc i a t i o n has been considered responsible f o r t h e resistance of w o o d t o d e t e r i o r a t i o n b y m a n y c e l l u l o l y t i c m i c r o o r g a n i s m s t h a t lack t h e e n z y m e systems necessary t o degrade l i g n i n as w e l l as t h e c a r b o h y d r a t e s of w o o d . L i g n i n a p p a r e n t l y p r e v e n t s t h e c e l l u l o l y t i c enzymes of m a n y organisms f r o m c o n t a c t i n g a s u f f i c i e n t n u m b e r of g l u c o s i d i c l i n k s i n t h e cellulose a n d h e m i c e l l u l o s e to p e r m i t s i g n i f i c a n t h y d r o l y s i s .

Mechanisms of enzymatic cleavage of wood cell w a l l constituents T h e enzymes of a l l t h e f u n g i s t u d i e d to d a t e cleave polysaccharides molecules b y h y d r o l y s i s of t h e glucosidic l i n k s b e t w e e n monosaccharide u n i t s ( Ε . T . R E E S E , 1 9 6 3 ) . T h i s h y d r o l y s i s can t a k e place e i t h e r at r a n d o m a l o n g t h e l e n g t h of t h e molecules, o r f r o m t h e ends of t h e molecules. T h e f e w w o o d - d e s t r o y i n g f u n g i s t u d i e d to d a t e h a v e been s h o w n to degrade cellulose b y a r a n d o m mechanism. T h e m e c h a n i s m of change of o t h e r w o o d polysaccharides has n o t been d e t e r m i n e d . T h e m e c h a n i s m b y w h i c h l i g n i n molecules are d e p o l y m e r i z e d b y t h e enzymes of w o o d - d e s t r o y i n g f u n g i is e n t i r e l y u n k n o w n . I t is n o t e v e n k n o w n w h e t h e r t h e d e p o l y m e r i z a t i o n process is h y d r o l y t i c o r o x i d a t i v e i n n a t u r e . I t is k n o w n t h a t a l m o s t a l l t h e f u n g i t h a t can u t i l i z e l i g n i n as a source of c a r b o n possess a n e x t r a c e l l u l a r p h e n o l oxidase system. T h i s association has l e d m a n y m i c r o b i o l o g i s t s to assume t h a t p h e n o l oxidases are i n v o l v e d at some stage i n l i g n i n d e g r a d a t i o n . K . FREUDENBERG a n d c o w o r k e r s ( 1 9 5 2 ) h a v e s h o w n t h a t t h e p h e n o l oxidases of w h i t e - r o t f u n g i can c a t a l y z e t h e f o r m a t i o n of free r a d i c a l s f r o m con i f e r y l a l c o h o l t h a t s p o n t a n e o u s l y p o l y m e r i z e i n t h e presence of o x y g e n to g i v e a n a r t i f i c i a l l i g n i n s i m i l a r i n s t r u c t u r e to t h a t i n coniferous woods. Since these enzymes f u n c t i o n i n t h e synthesis of l i g n i n i t appears u n l i k e l y t h a t t h e y also w o u l d be responsible f o r t h e i n i t i a l cleavage of l i g n i n molecules.

Chemical effects of decay fungi A s i n d i c a t e d i n t h e p r e c e d i n g section, present k n o w l e d g e of t h e e n z y m a t i c m e c h a n i s m of cleavage of w o o d c e l l w a l l c o n s t i t u e n t s is meager indeed. M u c h has been learned, h o w e v e r , a b o u t t h e g e n e r a l chemical changes t h a t t a k e place i n w o o d d u r i n g decay b y v a r i o u s

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Ellis Β. Cowling

t y p e s of w o o d - d e s t r o y i n g organisms. C a r e f u l a n a l y s i s of r e s u l t s of c o m p a r a t i v e b i o c h e m i c a l studies of t h e effects of these o r g a n i s m s can p r o v i d e a basis f o r inferences c o n c e r n i n g t h e n a t u r e of t h e e n z y m a t i c t r a n s f o r m a t i o n s i n w o o d c o n s t i t u e n t s d u r i n g decay. T o i l l u s t r a t e t h i s p r i n c i p l e , i n t e r p r e t a t i o n s w i l l be m a d e of d a t a p u b l i s h e d e a r l i e r o n t h e progressive c h e m i c a l changes i n s w e e t g u m s a p w o o d d u r i n g decay b y t h e t y p i c a l w h i t e - r o t f u n g u s , Polyporus versicolor, and the brown-rot f u n g u s , Porta monticola ( Ε . B . C O W L I N G , 1 9 6 1 ) . S i m i l a r inferences are d r a w n i n t h e p a p e r b y M . P . L E V I ( 1 9 6 6 ) i n t h i s same v o l u m e c o n c e r n i n g t h e effects of t h e s o f t - r o t fungus, Chaetomium globosum, o n beech w o o d .

Fig. 1. Solubility i n 1 percent aqueous sodium hydroxide of sweetgum sapwood i n progressive stages of decay.

Chemical Modification of Wood D u r i n g Microbial D e t e r i o r a t i o n 9 5 A s decay progresses, b r o w n - r o t f u n g i m a r k e d l y increase t h e s o l u b i l i t y of w o o d i n v a r i o u s s o l v e n t s ; w h i t e - r o t f u n g i , o n t h e o t h e r h a n d , do n o t g r e a t l y change t h e s o l u b i l i t y p r o p e r t i e s of w o o d . T h i s difference i n r a t e of change of s o l u b i l i t y p r o p e r t i e s b y w h i t e a n d b r o w n - r o t f u n g i is p a r t i c u l a r l y p r o n o u n c e d i n t h e case of 1 °/o aqueous s o d i u m h y d r o x i d e , as s h o w n i n F i g u r e 1. S o l u b i l i t y of b r o w n - r o t t e d w o o d i n t h i s s o l v e n t can rise to as h i g h as 90 p e r c e n t o r m o r e b y w e i g h t . W h e n r e s u l t s of s o l u b i l i t y d e t e r m i n a t i o n s are expressed o n t h e basis of t h e w e i g h t of o r i g i n a l s o u n d w o o d f r o m w h i c h t h e decayed samples w e r e o b t a i n e d , a n d t h e n p l o t t e d against w e i g h t loss due t o decay, comparisons can be m a d e of t h e r e l a t i v e rates of t h e e x t r a c e l l u l a r d e p o l y m e r i z a t i o n r e actions a n d t h e i n t r a c e l l u l a r r e s p i r a t o r y r e a c t i o n s of t h e decay process. I n such a p l o t , a n ascending l i n e i n d i c a t e s t h a t d e p o l y m e r i z a t i o n of t h e

o^— O

to

20 AVERAGE

30

40

SO

60

70

WEIGHT LOSS (PERCENT)

Fig. 2. Solubility i n various solvents of sweetgum sapwood i n various stages of decay. Total extractives were determined after successive extractions w i t h ethanol-benzene, ethanol, and water.

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Ellis Β. Cowling

w o o d c o n s t i t u e n t s to s o l u b l e p r o d u c t s is p r o c e e d i n g m o r e r a p i d l y t h a n these p r o d u c t s are b e i n g a s s i m i l a t e d a n d c o n v e r t e d b y r e s p i r a t o r y r e actions to c a r b o n d i o x i d e , w a t e r a n d o t h e r v o l a t i l e substances; a desc e n d i n g l i n e i n d i c a t e s t h a t a s s i m i l a t i o n a n d r e s p i r a t i o n of s o l u b i l i z e d p r o d u c t s is p r o c e e d i n g m o r e r a p i d l y t h a n n e w p a r t i a l d e g r a d a t i o n p r o d u c t s are b e i n g f o r m e d . A s s h o w n i n F i g u r e 2, t h e effects of b r o w n r o t f u n g i are q u i t e d i s t i n c t f r o m those of w h i t e - r o t f u n g i i n t h i s sense. I n t h e i n i t i a l stages of t h e b r o w n r o t caused b y Poria monticola, the e x t r a c e l l u l a r d e p o l y m e r i z a t i o n reactions of t h e decay process proceed w i t h g r e a t r a p i d i t y ; i n l a t t e r stages, h o w e v e r , a s s i m i l a t i o n a n d r e s p i r a t i o n of t h e p a r t i a l d e g r a d a t i o n p r o d u c t s p r e d o m i n a t e . I n a l l stages of t h e w h i t e r o t caused b y Polyporus versicolor , o n t h e o t h e r h a n d , t h e f u n g u s assimilates a n d metabolizes p a r t i a l d e g r a d a t i o n p r o d u c t s a b i t m o r e r a p i d l y t h a n n e w ones are f o r m e d . T h i s d i s t i n c t i o n is t y p i c a l of m a n y o t h e r w h i t e a n d b r o w n - r o t f u n g i (W. G. CAMPBELL, 1952; K . SEIFERT, 1962).

30 40 AVERAGE

50 WEIGHT

60 70 LOSS (PERCENT)

Fig. 3. Composition of sweetgum sapwood i n progressive stages of decay by the w h i t e - r o t fungus, Polyporus versicolor.

Chemical Modification of Wood D u r i n g Microbial D e t e r i o r a t i o n 9 7 A n a l y s e s of t h e a m o u n t s of s o l u b l e r e d u c i n g substances a n d p r o d u c t s of l i g n i n d e p o l y m e r i z a t i o n present i n a l k a l i a n d w a t e r e x t r a c t s of w o o d decayed b y these same t w o f u n g i s h o w e d t h a t b o t h l o w m o l e c u l a r w e i g h t c a r b o h y d r a t e s a n d l i g n i n - d e g r a d a t i o n p r o d u c t s w e r e present. I n a l l stages of w h i t e - r o t a n d a l l b u t t h e m o s t a d v a n c e d stages of b r o w n rot, a l a r g e r a m o u n t of soluble c a r b o h y d r a t e s t h a n l i g n i n w e r e present i n t h e extracts. T h e results of analyses to d e t e r m i n e t h e c o m p a r a t i v e rates of u t i l i z a t i o n of p o l y m e r s of t h e five m a j o r w o o d polysaccharides b y these t y p i c a l w o o d - d e s t r o y i n g f u n g i are s h o w n i n F i g u r e s 3 a n d 4. A s has been s h o w n e a r l i e r f o r m a n y f u n g i , b r o w n - r o t f u n g i u t i l i z e o n l y t h e w o o d polysaccharides w h e r e a s w h i t e - r o t f u n g i u t i l i z e b o t h t h e p o l y saccharides a n d l i g n i n of w o o d . T h e s m a l l c o n s u m p t i o n of l i g n i n b y Porta vionticola s h o w n i n F i g u r e 4 p r o b a b l y is due m a i n l y to m e t a b o l i s m

20 AVERAGE

30 WEIGHT

40 50 LOSS (PERCENT)

Fig. 4. Composition of sweetgum sapwood i n progressive stages of decay by the b r o w n - r o t fungus, Porta monticola. 7 Material und Organismen, Beiheft 1

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of t h e m e t h o x y l g r o u p s f r o m t h e l i g n i n as s h o w n v e r y e a r l y b y M . W . and Τ . M . ANDREWS (1924) and later b y W . G . CAMPBELL (1952). The s t r i k i n g u n i f o r m i t y w i t h w h i c h b o t h of these r e p r e s e n t a t i v e f u n g i u t i l i z e d t h e v a r i o u s w o o d c o n s t i t u e n t s i n a l l stages of decay is s u r p r i s i n g i n v i e w of t h e g r e a t d i v e r s i t y i n c h e m i c a l n a t u r e of t h e c o n s t i t u e n t s a n d t h e i r heterogenous d i s t r i b u t i o n w i t h i n t h e w o o d c e l l w a l l s , i. e . , cellulose is a p a r t i a l l y c r y s t a l l i n e p o l y s a c c h a r i d e b u t t h e o t h e r w o o d c a r b o h y d r a t e s a r e a m o r p h o u s i n n a t u r e ; l i g n i n is a t h r e e - d i m e n s i o n a l r a t h e r t h a n a l i n e a r p o l y m e r a n d consists of p h e n o l i c m o n o m e r u n i t s r a t h e r t h a n sugars. T h i s suggests e i t h e r : 1) t h a t t h e r e m o v a l of some one c o n s t i t u e n t f r o m t h e w o o d c e l l w a l l m a k e s t h e o t h e r s accessible at a r a t e t h a t is u n i f o r m i n a l l stages of decay a n d p r o p o r t i o n a l t o t h e a m o u n t s of each c o n s t i t u e n t present o r 2) t h a t t h e m e t a b o l i s m of each c o n s t i t u e n t is d e t e r m i n e d b y t h e r a t e of m e t a b o l i s m o f one o r m o r e of t h e o t h e r c o n s t i t u e n t s because of some p h y s i o l o g i c a l dependence a m o n g t h e p a t h w a y s of m e t a b o l i s m of t h e v a r i o u s constituents.

BRAY

Changes i n t h e average degree of d e p o l y m e r i z a t i o n (DP) of t h e h o l o cellulose i n w o o d d u r i n g decay b y w h i t e - a n d b r o w n - r o t f u n g i p r o v i d e i m p o r t a n t i n s i g h t s i n t o t h e c h e m i s t r y of t h e decay process. T h e results of these d e t e r m i n a t i o n s f o r Poria monticola a n d Polyporus versicolor are s h o w n i n F i g u r e 5. A s i n t h e case of t h e s o l u b i l i t y analyses, t h e effects of t h e t w o t y p e s of f u n g i are m a r k e d l y d i f f e r e n t . T h e r a p i d i n i t i a l decrease i n average D P i n t h e case of b r o w n - r o t is analogous w i t h t h e effects of a c i d h y d r o l y s i s as suggested e a r l i e r b y W . G. CAMPBELL a n d J. BOOTH (1929). I t also suggests t h a t a m o r p h o u s c a r b o h y d r a t e s a r e h y d r o l i z e d p r e f e r e n t i a l l y i n t h e i n i t i a l stages a n d t h a t t h e m o r e resistant c r y s t a l l i n e polysaccharides are d e p o l y m e r i z e d i n l a t e r stages of t h e decay process. T h i s inference is a c o n c l u s i o n f r o m t h e results of t h e e x t r a p o l a t i o n s s h o w n as d o t t e d l i n e s i n F i g u r e 5. T h e easily d e p o l y m e r i z e d m a t e r i a l s c o n s t i t u t e a b o u t 10 p e r c e n t of t h e w o o d substance (this agrees w e l l w i t h estimates of t h e p r o p o r t i o n of a m o r p h o u s c a r b o h y d r a t e s i n w o o d ) ; t h e l e n g t h of t h e m o r e r e s i s t a n t e n t i t i e s w i t h i n t h e w o o d is a b o u t 230 D P u n i t s (this is i n close a g r e e m e n t w i t h t h e l e n g t h of cellulose c r y s t a l l i t e s i n w o o d as d e t e r m i n e d b y a c i d h y d r o l y s i s ) . T h e r a p i d decrease i n D P suggests t h a t b r o w n - r o t f u n g i d e p o l y m e r i z e t h e polysaccharides of w o o d a t r a n d o m a l o n g t h e l e n g t h of t h e molecules. T h e g r a d u a l decrease i n average D P f o r t h e w h i t e - r o t f u n g u s suggests t h a t t h e c a r b o h y d r a t e - h y d r o l y z i n g enzymes of t h i s f u n g u s act s e l e c t i v e l y o n a s m a l l p o r t i o n of t h e h o l o c e l l u l o s e at a t i m e . A l t h o u g h w h i t e - r o t f u n g i h a v e been s h o w n t o d e p o l y m e r i z e cellulose m o l e c u l e s b y a r a n d o m r a t h e r t h a n b y a n e n d w i s e m e c h a n i s m (B. NORKRANS a n d B . RANBY, 1956), f a i l u r e of t h e average D P to f a l l r a p i d l y d u r i n g t h e i n i t i a l stages

Chemical Modification of Wood D u r i n g Microbial Deterioration

WHITE ROT CAUSED BY POLYPORUS VERSICOLOR 1,400

o~

>

ι

I

1

I 1,000

1 I

I \t\ \ >\

ι

BROW, Ν ROT CA USED BY RIA ΜΟΝΤΊ COLA

\

20 30 40 50 AVERAGE WEIGHT LOSS ( PERCENT )

Fig. 5. Average degree of polymerization of holocellulose of sweetgum sapwood i n progressive stages of decay. Extrapolation of the rapidly descending portion of the curve to zero DP indicates the fraction of the wood easily hydrolyzable by the carbohydrases of Poria monticola. Extrapolation of the rapidly descending portion of the curve to zero weight loss indicates the average DP of the resistant (presumably crystalline) fraction of the holocellulose.

of decay (as observed f o r Poria monticola ) suggests t h a t t h e p o l y s a c c h a r i d e - s p l i t t i n g e n z y m e s of w h i t e - r o t f u n g i do n o t diffuse f r e e l y f r o m t h e f u n g u s h y p h a e or f o r some o t h e r reason a r e u n a b l e t o e n t e r t h e a m o r p h o u s regions b e t w e e n cellulose c r y s t a l l i t e s a n d t h u s reduce t h e average D P r a p i d l y . T h i s suggests t h a t t h e a c t i v i t y of these enzymes is confined to t h e m o r e gross c a p i l l a r y surfaces of t h e w o o d (the c e l l l u m e n s a n d t h e spaces b e t w e e n m i c r o f i b r i l l s ) . E l e c t r o n m i c r o s c o p i c a l evidence i n s u p p o r t of these h y p o t h e s i s has been o b t a i n e d r e c e n t l y (Ε. B .

τ

COWLING,

1965).

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Ellis Β. Cowling

T h e g r e a t difference i n r a t e of d e p o l y m e r i z a t i o n of h o l o c e l l u l o s e b y Poria monticola a n d Polyporus versicolor shown i n Figure 5 provides a n e x p l a n a t i o n f o r t h e f o l l o w i n g differences i n effects of w h i t e - a n d b r o w n - r o t f u n g i i n g e n e r a l : 1) r a t e of change i n s o l u b i l i t y p r o p e r t i e s (Figures 1 a n d 2); 2) t h e r a t e of s t r e n g t h r e d u c t i o n ; 3) differences i n p u l p y i e l d a n d q u a l i t y ; a n d 4) differences i n h y g r o s c o p i c i t y a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y of t h e w o o d . S o l u b i l i t y p r o p e r t i e s of w o o d c o n s t i t u e n t s are an i n v e r s e f u n c t i o n of m o l e c u l a r size. Thus, w h e n t h e average D P decreases r a p i d l y , s o l u b i l i t y increases r a p i d l y ( b r o w n - r o t ) a n d w h e n l i t t l e change i n average D P takes place, s o l u b i l i t y does n o t change m a r k e d l y ( w h i t e - r o t ) . Since t h e s t r e n g t h of w o o d is a t t r i b u t e d p r i m a r i l y to t h e cellulose i n its c e l l w a l l s , f u n g i t h a t r a p i d l y cleave t h e b u l k of t h e cellulose molecules ( b r o w n - r o t ) w i l l reduce t h e s t r e n g t h of t h e w o o d f a r m o r e r a p i d l y t h a n those t h a t l e a v e t h e u n c o n s u m e d molecules s u b s t a n t i a l l y i n t a c t ( w h i t e - r o t ) . P u l p y i e l d is a f u n c t i o n of c a r b o h y d r a t e c o n t e n t a n d q u a l i t y . T h u s , b r o w n - r o t f u n g i t h a t p r e f e r e n t i a l l y degrade t h e w o o d polysaccharides b y r a p i d l y r e d u c i n g t h e average D P of t h e h o l o c e l l u l o s e w i l l m o r e s i g n i f i c a n t l y r e d u c e t h e y i e l d a n d q u a l i t y of p u l p t h a n w h i t e - r o t f u n g i t h a t also degrade t h e l i g n i n of w o o d a n d do n o t reduce t h e D P of t h e w o o d c a r b o h y d r a t e s so r a p i d l y (see F i g u r e s 3, 4 a n d 5). Since b r o w n - r o t f u n g i p r e f e r e n t i a l l y attack t h e m o r e h y g r o scopic, a m o r p h o u s polysaccharides i n t h e i n i t i a l stages of decay, i t is n o t s u r p r i s i n g t h a t t h e m o i s t u r e r e g a i n c a p a c i t y ( h y g r o s c o p i c i t y ) of b r o w n - r o t t e d w o o d decreases i n t h e i n i t i a l stages of decay. A l s o since w h i t e - r o t f u n g i attack c r y s t a l l i n e a n d a m o r p h o u s polysaccharides at s i m i l a r rates, i t is n o t s u r p r i s i n g t h a t t h e h y g r o s c o p i c i t y of w h i t e r o t t e d w o o d does n o t change m a r k e d l y as decay progresses. B r o w n r o t t e d w o o d checks across t h e g r a i n because i t s h r i n k s excessively a l o n g t h e g r a i n . I n s o u n d w o o d , l o n g i t u d i n a l s w e l l i n g a n d s h r i n k a g e due t o a d s o r p t i o n of w a t e r i n t h e S i a n d S3 l a y e r s ( w i t h i n w h i c h t h e m i c r o fibrills are o r i e n t e d at a l a r g e a n g l e w i t h respect to t h e c e l l axis) is r e s t r a i n e d b y t h e l a r g e v o l u m e of cellulose i n t h e S2 l a y e r ( i n w h i c h m i c r o f i b r i l l s are o r i e n t e d m o r e n e a r l y p a r a l l e l w i t h t h e c e l l axis). I n b r o w n - r o t t e d w o o d t h e c a p a c i t y of t h e S2 l a y e r to r e s t r a i n l o n g i t u d i n a l d i m e n s i o n a l changes is r e d u c e d m a r k e d l y because so m a n y of t h e cellulose molecules h a v e been r e d u c e d i n average D P . T h u s , b r o w n r o t t e d w o o d shows excessive s w e l l i n g a n d s h r i n k a g e p a r a l l e l to t h e g r a i n w h e r e a s w h i t e - r o t t e d w o o d shows n e a r l y n o r m a l d i m e n s i o n a l stability. Summary Current knowledge of the relationship between changes i n composition of wood during microbial deterioration and its physical and chemical properties is reviewed. Special attention is given to the influence of differences i n rate

Chemical Modification of Wood D u r i n g Microbial Deterioration

101

of change i n average degree of polymerization of holocellulose on the pulping characteristics, solubility properties, strength, and dimensional stability of decayed wood. Differences i n mechanisms of enzyme action that could account for these differences are described. Zusammenfassung Chemische Veränderungen des Holzes beim Abbau durch Pilze Die bisherigen Kenntnisse über Beziehungen zwischen Veränderungen i n der Zusammensetzung des Holzes während der Zersetzung durch M i k r o organismen u n d seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften werden kritisch betrachtet. Besondere Aufmerksamkeit w i r d dem Einfluß gewidmet, den Veränderungen des durchschnittlichen Polymerisationsgrades der Holocellulose auf die Merkmale der Holzschliffgewinnung, Löslichkeitseigenschaften, Festigkeit und Dimensionsstabilität pilzzerstörten Holzes ausüben. U n terschiede i m Mechanismus der Enzymwirkung, die für diese Unterschiede verantwortlich sein könnten, werden beschrieben. Résumé Modifications chimiques du bois lors de la détérioration microbienne Les connaissances courantes au sujet de la relation entre les changements de la composition d u bois et ses propriétés physiques et chimiques pendant sa détérioration microbienne sont passées en revue. Une attention particulière est donnée à l'influence des différences de vitesse de changement d u degré moyen de polymérisation de l'holocellulose, sur les caractéristiques de p u l pation, la solubilité, la résistance et la stabilité dimensionnelle du bois pourri. Différents mécanismes d'action enzymatique pouvant eventuellement expliquer les différences observées sont proposés. Literature Μ . W., and A N D R E W S , Τ. Μ . : Chemical changes of ground wood during decay. Indus. Eng. Chem. 16 (1924), 137—139. C A M P B E L L , W. G.: The biological decomposition of wood. pp. 1061—1116. I n : E . C. J A H N and L . E . W I S E (eds.): Wood Chemistry. New Y o r k (Rheinhold Pub. Corp.), 1952. C A M P B E L L , W. G., and B O O T H , J.: The effect of p a r t i a l decay on the a l k a l i solubility of wood. Biochem. Jour. 23 (1929), 566—572. C O W L I N G , Ε. B.: Comparative biochemistry of the decay of sweetgum sapwood by w h i t e - r o t and b r o w n - r o t fungi. U. S. Dept. Agr. Tech. B u l l . No. 1258, 1961, 79 pp. C O W L I N G , Ε. B.: Microorganisms and microbial enzyme systems as selective tools i n wood anatomy, p p . 3 4 1 — 3 6 8 . In: W . A . C O T É (ed.): Cellular u l t r a structure of woody plants. Syracuse, Ν. Y. (Syracuse University Press),

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Department of Plant Pathology, N o r t h Carolina State University, P.O. Box 5397, Raleigh, N.C. 27 607, U.S.A.

über den Abbau der Holzcellulose durch Organismen Von

KARL

SEIFERT

Bundesanstalt für Materialprüfung B e r l i n - D a h l e m (Deutschland) Einleitung M i t n u r seltenen A u s n a h m e n b i l d e t d i e C e l l u l o s e d i e hauptsächlichste N a h r u n g der holzzerstörenden Pilze u n d der v o m Holz lebenden tierischen Schädlinge. B e i d e n O r g a n i s m e n g r u p p e n steht eine V i e l z a h l v o n E n z y m e n z u r V e r f ü g u n g , d i e d e n v o l l k o m m e n e n A b b a u der C e l l u lose besorgen. Dieser l ä u f t i n z w e i chemisch g ä n z l i c h verschiedenen R e a k t i o n s f o l g e n ab, d e r e n ersterer, h y d r o l y t i s c h e r , b e i t i e r i s c h e n u n d p f l a n z l i c h e n S c h ä d l i n g e n i n gleicher u n d b e k a n n t e r Weise s t a t t f i n d e t , w ä h r e n d ü b e r d e n z w e i t e n , o x y d a t i v e n , besonders w a s d i e tierische V e r d a u u n g a n l a n g t , noch u n g e n ü g e n d e K e n n t n i s s e herrschen. D i e Cellulose-Kettenmoleküle werden durch den Cellulase-Komplex zunächst v o n e i n a n d e r g e t r e n n t u n d a n x - b e l i e b i g e n S t e l l e n , aufs G e r a t e w o h l , aufgespalten, so daß sich H y d r o l y s a t e d e r verschiedensten P o l y m e r i s a t i o n s g r a d e b i l d e n . Genauso w e r d e n d i e K e t t e n d e r ü b r i g e n H o l z p o l y s a c c h a r i d e ü b e r Z w i s c h e n p r o d u k t e bis z u d e n einfachen Z u c k e r n aufgespalten. W e n n d e r n a t ü r l i c h e F ä u l n i s - b z w . V e r d a u u n g s prozeß u n t e r b r o c h e n w i r d , lassen sich diese H y d r o l y s a t e , s o w e i t sie wasserlöslich sind, als O l i g o - u n d Monosaccharide aus d e n p i l z b e f a l l e n e n H o l z m u s t e r n oder d e m K o t e x t r a h i e r e n u n d i m E i n z e l n e n i d e n t i fizieren. M i t der schließlichen B i l d u n g d e r t r a n s p o r t f ä h i g e n u n d resorb i e r b a r e n Monosaccharide setzt d e r z w e i t e T e i l a b b a u v o r g a n g ein, b e i w e l c h e m sie v o l l s t ä n d i g z u CO2 u n d H2O v e r b r a n n t w e r d e n . Z u diesen O x y d a t i o n s p r o d u k t e n f ü h r t ein stufenweise verlaufender A b b a u der H e x o s e n ; ü b e r d e n C h e m i s m u s des Pentosenzerfalls v e r m i t t e l s d e r Atmungsreaktionsfolge ist w e n i g bekannt. V o m Zerfall der bei den H o l z f ä u l e n sich b i l d e n d e n H e x o s e n zeugen verschiedene Säuren, d i e als S t o f f w e c h s e l p r o d u k t e g e f u n d e n w u r d e n (z. B . F. F . NORD u n d J. C. ViTucci, 1947; G. de STEVENS, R. M . de B A U N u n d F. F. N O R D , 1951; W . J. SCHUBERT, 1954): n i e d e r e F e t t s ä u r e n , G i - D i k a r b o n s ä u r e n (Oxalessig-, Ä p f e l - , F u m a r - , Bernsteinsäure), Glukuronsäure, Oxal-, Citronen-, Brenztrauben-, Milch-, α-Ketoglutarsäure u n d weitere. Da w i r hier außer d e n v o m Z i t r o n e n s ä u r e z y k l u s h e r b e k a n n t e n S ä u r e n noch e i n e r

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K a r l Seifert

Reihe a n d e r e r begegnen, ist a n z u n e h m e n , daß es verschiedene M ö g l i c h k e i t e n d e r V e r a t m u n g der Monosaccharide g i b t . S o w e i t das G r u n d sätzliche der Cellulosezersetzung. W i e i m e i n z e l n e n h i e r b e i v o n der N a t u r besondere W e g e eingeschlagen w e r d e n u n d i n w i e w e i t — b e d i n g t d u r c h die chemische Z u s a m m e n s e t z u n g des Holzes, d i e K i n e t i k d e r fermentativen W i r k s a m k e i t u n d die Lebens- u n d Ernährungsbeding u n g e n der P i l z e u n d T i e r e — A b w a n d l u n g e n des Schemas z u e r w a r t e n sind, s o l l i m f o l g e n d e n a n besonders o f t v o r k o m m e n d e n B e i s p i e l e n des H o l z a b b a u s e r l ä u t e r t w e r d e n .

Holzfressende K ä f e r (Beispiele: Hylotrupes u n d Anobium

bajulus

punctatum)

D i e L a r v e n des Hausbocks u n d G e w ö h n l i c h e n N a g e k ä f e r s v e r w e r t e n b e i e i n e r d u r c h s c h n i t t l i c h e n G e s a m t v e r a t m u n g der H o l z s u b s t a n z v o n r u n d 25 °/o n u r e t w a 35 °/o der u r s p r ü n g l i c h v o r h a n d e n e n C e l l u l o s e m e n g e (neben 20 . . . 30 °/o der H e m i c e l l u l o s e n ) (K.SEIFERT, 1962 b). Es g e h t s o m i t der größte T e i l der m i t d e m a u f g e n o m m e n e n H o l z geb o t e n e n N a h r u n g v e r l o r e n , u n d i m K o t k ö n n e n , als B e w e i s der u n v o l l s t ä n d i g e n V e r d a u u n g der K o h l e n h y d r a t e , p a p i e r c h r o m a t o g r a p h i s c h die nicht v o m T i e r d a r m resorbierten Monosaccharide sowie die Oligosaccharide Cellobiose u n d C e l l o t r i o s e n e b e n d e n e n d e r M a n n o s e - , X y l o s e - u n d A r a b i n o s e r e i h e nachgewiesen w e r d e n . A u c h L i g n i n w i r d z u e i n i g e n w e n i g e n P r o z e n t e n a b g e b a u t ; sein M e t h o x y l g e h a l t s i n k t u n d d ü n n s c h i c h t - c h r o m a t o g r a p h i s c h l ä ß t sich P r o t o c a t e c h u a l d e h y d als methoxylfreies Ligninspaltstück i n K o t e x t r a k t e n finden. Trotz der scheinbar o b e r f l ä c h l i c h e n A u s n u t z u n g d e r N ä h r s t o f f e ist die V e r d a u u n g s l e i s t u n g u n g e h e u e r , w e n n m a n b e r ü c k s i c h t i g t , daß sich das N a g s e i n u r k u r z e Z e i t i m D a r m t r a k t b e f i n d e t , w ä h r e n d w e l c h e r riesige F u t t e r m e n g e n d e n D a r m passieren. E i n e 150 . . . 200 m g schwere L a r v e des Hausbocks z. B . n i m m t d u r c h s c h n i t t l i c h t ä g l i c h 50 m g H o l z f a s e r n auf, v o n w e l c h e n 39 m g als K o t ausgeschieden u n d 1 1 m g v e r d a u t w e r d e n , n ä m l i c h 7,7 m g Cellulose, 3 m g H e m i c e l l u l o s e u n d 0,7 m g L i g n i n . Es erscheint v e r s t ä n d l i c h , daß als F o l g e des u n a u f h ö r l i c h e n Nachschubs v o n N a h r u n g der L a r v e n d a r m n i c h t i n d e r L a g e ist, d i e N ä h r s t o f f e v o l l s t ä n d i g z u v e r w e r t e n , d e n n die F r e ß l e i s t u n g d e r H a u s b o c k l a r v e n b e t r ä g t j e T i e r g e w i c h t s e i n h e i t i n 150 T a g e n 48 G e w . - E i n h e i t e n H o l z substanz. N a c h d e n A r b e i t e n v o n G. BECKER (1938, 1942, 1949), die d i e ausschlaggebende R o l l e des H o l z e i w e i ß g e h a l t s f ü r d i e E n t w i c k l u n g d e r H a u s b o c k l a r v e ergeben, ist a n z u n e h m e n , daß der spärliche E i w e i ß g e h a l t die L a r v e d a z u z w i n g t , große M e n g e n a n H o l z a u f z u n e h m e n , da i h r w e i t e r e E i w e i ß q u e l l e n n i c h t z u r V e r f ü g u n g stehen. D i e e t w a ausgeglichene S t i c k s t o f f b i l a n z (Ne-Gehalt des a u f g e n o m m e n e n F u t t e r -

Ü b e r den A b b a u der Holzcellulose durch Organismen holzes — N 2 - G e h a l t des K o t s +

N 2 - G e h a l t des K ä f e r s )

bestätigt

dies.

u n d A.

punc-

A u c h v e r s c h i e d e n e a n d e r e K ä f e r v e r d a u e n w i e H . bajulus tatum

105

n u r 30 . . . 40 % d e r C e l l u l o s e . Holzschädlinge des Meeres (Beispiel: Limnoria

tripunctata)

V ö l l i g anders geht der A b b a u der Cellulose b e i der durch die i m Holz

unter

Meer

lebenden,

Meerwasser

holzbohrenden

gelagert

wird,

Tiere

Holzverdauung vor

sich.

Wenn

auf

seiner

s i e d e l n sich b a l d

Oberfläche Pilze (Ascomyceten u n d F u n g i i m p e r f e c t i ) sowie B a k t e r i e n an, u n d das H o l z v e r l i e r t a n G e w i c h t . I n e i n e m F a l l e w u r d e so — Abwesenheit

v o n tierischen Schädlingen —

an Kiefernsplintholz

G e w i c h t s v e r l u s t v o n a n n ä h e r n d 15 °/o n a c h ü b e r z w e i j ä h r i g e r

in ein

Wasser-

lagerung festgestellt; der A b b a u betraf hier ausnahmsweise i n erster L i n i e das M a n n a n u n d s o d a n n d i e C e l l u l o s e , d i e z u e t w a 1 0 % atmet

war

(Ligninverlust

und

Lignin-Methoxylabspaltung

je

ver5 °/o).

W u r d e das H o l z j e d o c h u n t e r sonst g l e i c h e n B e d i n g u n g e n v o n L i m n o r i e n (Bohrasseln) benagt u n d der Versuch nach ü b e r 2 J a h r e n

unter-

b r o c h e n ( w e n n sich e i n i g e G r a m m e K o t a n g e s a m m e l t h a t t e n ) , so h a t t e das R e s t h o l z e i n e g ä n z l i c h a n d e r e Z u s a m m e n s e t z u n g als das l i m n o r i e n freie

Restholz (K.

SEIFERT,

1964 a). A u s d e n A n a l y s e n e r g e b n i s s e n d e r

R e s t h ö l z e r u n d des K o t s k o n n t e g e f o l g e r t w e r d e n , daß sich b e i m g e meinsamen A u f e n t h a l t der Pilze, B a k t e r i e n u n d L i m n o r i e n

komplexe

Vorgänge abspielten, i n d e m die L i m n o r i e n v o n der Holzoberfläche M i k r o o r g a n i s m e n samt den v o n diesen p r o d u z i e r t e n

die

Partialhydrolysa-

t e n aus d e n P o l y s a c c h a r i d e n a b g e w e i d e t h a t t e n u n d sich so n i c h t a l l e i n mit

den leicht verdaulichen,

von den Mikroorganismen i m

gestapelten K o h l e n h y d r a t - Z w i s c h e n p r o d u k t e n ,

Substrat

sondern dazu noch

mit

r e i c h l i c h E i w e i ß v e r s o r g e n k o n n t e n . I n f o l g e d e r sich ü b e r s c h n e i d e n d e n A b b a u l e i s t u n g e n v o n P f l a n z e n u n d T i e r e n l ä ß t sich n u r ü b e r s c h l ä g l i c h a n g e b e n : d i e G e s a m t v e r w e r t u n g des H o l z e s d u r c h d i e L i m n o r i e n a l l e i n l i e g t b e i 30 % ; v o m g e s a m t e n C e l l u l o s e a b b a u i n H ö h e v o n 60 °/o e n t f a l l e n 45 . . . 50 °/o a u f d i e L i m n o r i e n u n d 10 . . . 15 °/o a u f d i e o r g a n i s m e n . D i e F r e ß l e i s t u n g ( e i n s c h l i e ß l i c h des m i k r o b i e l l e n betrug

für

150 T a g e

13,5 G e w i c h t s e i n h e i t e n

(GE)

je

MikroAbbaus)

GE Tier,

von

w e l c h e n 6 G E v e r a t m e t ( h i e r i n 2,6 G E C e l l u l o s e ) u n d 7,5 G E als K o t ( h i e r i n 2?5 G E C e l l u l o s e ) a u s g e s c h i e d e n w u r d e n . H i n s i c h t l i c h d e r F r e ß l e i s t u n g u n d des G r a d e s d e r C e l l u l o s e v e r d a u u n g s t e h e n d i e L i m n o r i e n zwischen den K ä f e r n u n d den Termiten.

T e r m i t e n (Beispiel: Kalotermes

flavicollis)

M a n w e i ß , daß T e r m i t e n i n i h r e m D a r m r e i c h l i c h F l a g e l l a t e n u n d B a k t e r i e n als S y m b i o n t e n b e h e r b e r g e n — a l l e i n d i e P r o t o z o e n s u b s t a n z

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K a r l Seifert

m a c h t V a . . . Ve des G e w i c h t s des W i r t s t i e r e s aus. D a m i t s t e h t i h n e n r e i c h l i c h E i w e i ß z u r V e r f ü g u n g u n d es ist v e r s t ä n d l i c h , daß m a n i n der H o l z v e r d a u u n g d e r T e r m i t e n e i n e r besonders i n t e n s i v e n V e r w e r t u n g der N ä h r s t o f f e begegnet. So w i r d d i e C e l l u l o s e v o n K. flavicollis bis a u f e i n e n Rest v o n e t w a 5 °/o, e i n e m schwer v e r d a u l i c h e n Cellulose/ L i g n i n - K o m p l e x , v o l l s t ä n d i g v e r a t m e t ( K . SEIFERT, 1962 c). D e r V e r l u s t a n H e m i c e l l u l o s e n l i e g t b e i 60 . . . 70 °/o. D i e A u s n u t z u n g d e r K o h l e n h y d r a t e i m D a r m ist d e r a r t umfassend, daß sich selbst c h r o m a t o g r a p h i s c h k e i n e Oligosaccharide i m K o t n a c h w e i s e n lassen. D e r L i g n i n v e r l u s t b e t r ä g t w i e d e r e i n i g e Prozente, v e r b u n d e n m i t D e m e t h o x y lierung (Protocatechualdehyd neben anderen Spaltprodukten i m Kot). D e r S t i c k s t o f f g e h a l t steigt i m K o t , v e r g l i c h e n m i t d e m F u t t e r h o l z auf das Achtfache ( w i e b e i m L i m n o r i e n k o t ) , w a s a u f d i e A n h ä u f u n g v o n E i w e i ß s t o f f w e c h s e l p r o d u k t e n u n d das C h i t i n der M i k r o o r g a n i s m e n z u r ü c k z u f ü h r e n ist. D e r G e s a m t a b b a u des Holzes b e t r ä g t e t w a 60 °/o, die F r e ß l e i s t u n g j e T i e r g e w i c h t s e i n h e i t i n 150 T a g e n 1 G e w i c h t s e i n h e i t H o l z . A u s diesen D a t e n e r g i b t sich, daß d e r m i t d e m E i w e i ß g e h a l t der N a h r u n g gekoppelte Kohlenhydratstoffwechsel bei den T e r m i t e n nicht vorzeitig, w i e bei den Cerambyciden u n d Anobiiden, wegen Verbrauchs des H o l z e i w e i ß e s z u m S t i l l s t a n d k o m m e n m u ß , da d i e T e r m i t e n über genügend Eiweiß i n Gestalt i h r e r S y m b i o n t e n verfügen. Es b e d a r f d a h e r e i n e r n u r k l e i n e n H o l z a u f n a h m e , d i e gerade groß g e n u g ist, u m d e n E n e r g i e b e d a r f m i t H i l f e der K o h l e n h y d r a t e zu decken. Es f r a g t sich n u n , welches das E n d e r g e b n i s sein w i r d , w e n n die T i e r e m i t p i l z i n f i z i e r t e m H o l z g e f ü t t e r t w e r d e n , welches v o n H o l z lebende Tiere bekanntlich bevorzugen. A u s Versuchen m i t durch B r a u n f ä u l e u m e t w a 6 °/o a b g e b a u t e m K i e f e r n h o l z ( K . SEIFERT, 1962 c) ergab sich, daß d i e F r e ß l e i s t u n g u m 3 % u n d d i e D i s s i m i l a t i o n des Gefressenen u m 6 o/o absanken. D i e T i e r e h a t t e n sich also d i e V o r l e i s t u n g der P i l z e z u n u t z e gemacht, sie k o n n t e n m i t w e n i g e r N a h r u n g s a u f n a h m e u n d g e r i n g e r e r V e r a t m u n g i h r e n E n e r g i e b e d a r f decken, da sie z u nächst d i e v o m P i l z a n g e h ä u f t e n p r i m ä r e n C e l l u l o s e h y d r o l y s a t e a u f z e h r t e n u n d aus E i g e n e m entsprechend k l e i n e r e M e n g e n v o n K o h l e n h y d r a t e n a b b a u t e n . D a h e r w a r e n schließlich n a c h d e r V e r d a u u n g die a u f d i e e i n z e l n e n H o l z k o m p o n e n t e n e n t f a l l e n d e n V e r l u s t e dieselben w i e b e i d e r V e r d a u u n g g e s u n d e n Holzes. I m Gegensatz z u K. flavicollis fanden w i r bei anderen Termiten, ζ. Β . Reticulitermesu n d Nasutitermes-Arten eine n o c h w e i t höhere, praktisch vollständige Celluloseveratmung, gepaart m i t einem H e m i cellulosenabbau bis über 90υ/ο u n d L i g n i n v e r l u s t e n v o n über 8 0 % ( K . SEIFERT u n d G. B E C K E R , 1 9 6 5 ) . Z u n ä c h s t k a n n m a n h i e r f ü r n u r die E r k l ä r u n g heranziehen, daß diese T e r m i t e n i h r e n K o t fressen, also

Über den A b b a u der Holzcellulose durch Organismen

107

m e h r f a c h e V e r d a u u n g s t a t t f i n d e t . D e r E i n f l u ß , d e n chemische Z u sammensetzung u n d S t r u k t u r der einzelnen Holzarten auf die V e r d a u u n g ausüben, k o n n t e festgestellt w e r d e n , als 6 verschiedene H a r t u n d W e i c h h ö l z e r a n 4 T e r m i t e n a r t e n v e r f ü t t e r t w u r d e n ( K . SEIFERT u n d G. BECKER, 1965). Stets w a r es d i e U l m e , w e n i g e r ausgeprägt d e r A h o r n , d i e d e n g e r i n g s t e n C e l l u l o s e a b b a u zeigten, w ä h r e n d b e i d e r K i e f e r i m m e r die stärkste Celluloseverdauung gefunden wurde.

Tab.

1. C h a r a k t e r i s t i k a des K i e f e r n h o l z a b b a u s d u r c h tierische Schädlinge. Tierart

Zahlenerklärung

Hylotrupes bajulus

Limnoria tripunctata

0,1

N 2 im Kot °/o

0,4

0,

1

Freßleistung, HolzGew.-Einh. je TierGew. Einh

48

13,5

davon veratmet Cellulose-Gew.-Einh

7

2,6

Abbau bis zum HolzGew.-Verlust °/o

23

Kalotermes flavicollis

0,4 62

30 II!

Cellulose-Verlust in °/o vom Anfangsgehalt ..

35

Lösliche Zucker im Kot

alle

45

95 keine

-

I n der Tabelle 1 sind einige f ü r den Celluloseabbau durch holzzerstörende K ä f e r , M e e r e s t i e r e u n d T e r m i t e n bezeichnende D a t e n z u sammengestellt. D i e Freßleistung, wesentlich b e s t i m m t durch den E i w e i ß g e h a l t der N a h r u n g , b e e i n f l u ß t i h r e r s e i t s d i e M e n g e v e r a t m e t e n Holzes u n d d a m i t i m k o n s t a n t e n V e r h ä l t n i s die V e r w e r t u n g d e r C e l l u lose so, daß e i n e m E i w e i ß ü b e r f l u ß eine fast restlose V e r d a u u n g d e r Cellulose entspricht.

Braunfäule (Beispiel: Coniophora

cerebello)

W ä h r e n d beim tierischen Holzabbau n u r Anfangs- u n d Endzustand a n a l y t i s c h u n t e r s u c h t w e r d e n k ö n n e n , lassen sich, i n d e m z u verschied e n e n Z e i t e n M u s t e r p i l z i n f i z i e r t e n Holzes a n a l y s i e r t w e r d e n , A u s -

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K a r l Seifert

sagen ü b e r d e n V e r l a u f der Z e r s t ö r u n g der Cellulose ü b e r e i n e n l ä n g e r e n Z e i t r a u m h i n m a c h e n u n d E r k e n n t n i s s e ü b e r das unterschiedliche E i n w i r k e n der F ä u l e t y p e n g e w i n n e n . So k o n n t e d u r c h A n a l y s i e r e n d e r M u s t e r i n k u r z e n Z e i t a b s t ä n d e n w ä h r e n d des f r ü h e n F ä u l e s t a d i u m s b e i a l l e n F ä u l e a r t e n e i n — w e n n auch g r a d u e l l verschiedener — k r ä f t i g e r e r C e l l u l o s e a b b a u festgestellt w e r d e n , d e m stets eine P e r i o d e v e r m i n d e r t e r A k t i v i t ä t z u f o l g e n p f l e g t e . Besonders ausgeprägt w a r diese E r s c h e i n u n g b e i d e r B r a u n f ä u l e des K i e f e r n h o l z e s ( K . S E I F E R T , 1962 a). Dieses v e r l o r i n d e n ersten 11 Tagen, als 2 % H o l z g e w i c h t s v e r l u s t ( H V ) v o r l a g e n a n C e l l u l o s e b e r e i t s 14 °/o des Anfangsbestandes, n ä m l i c h 5,5 absolute Prozente. V o n diesen l e t z t e r e n w a r e n n u r 2 P r o zent z u CO2 u n d H2O d i s s i m i l i e r t w o r d e n , w ä h r e n d 3,5 P r o z e n t i n G e s t a l t der Z e r f a l l s p r o d u k t e ( C e l l o d e x t r i n e , Oligosaccharide, G l u k o s e u n d Säuren) v o r l a g e n . V o m H V 6 . . . 16 °/o r u h t e d e r Celluloseabbau, u m danach m i t e i n e m D u r c h s c h n i t t s - C e l l u l o s e v e r l u s t v o n 0,55 absol u t e n P r o z e n t e n j e °/o H V bis z u m E n d e z u v e r l a u f e n . D i e B r a u n f ä u l e P i l z e legen also m i t H i l f e i h r e r E n z y m e sofort b e i B e g i n n e i n D e p o t v o n leicht h y d r o l y s i e r b a r e n Z w i s c h e n p r o d u k t e n an, u m daraus w ä h r e n d der f o l g e n d e n P e r i o d e n i h r e n E n e r g i e b e d a r f z u decken. Z u r E r l ä u t e r u n g g i b t F i g u r 1 eine solche Ruhepause w ä h r e n d des Celluloseabbaus ( K i e f e r n h o l z ) g r a p h i s c h w i e d e r , b e i w e l c h e r der A b b a u i m B e r e i c h H V 6 . . . 15 °/o s t a g n i e r t u n d Z w i s c h e n p r o d u k t e v e r b r a u c h t werden.

\

\

Zwischen Produkte

Ce

% biologischer

/

s

"υ

Hulose

Abbau

Fig. 1. Beispiel einer Ruheperiode während des Celluloseabbaus (Coniophora cerebello :/ Kiefernholz).

Über den A b b a u der Holzcellulose durch Organismen

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O b es die stets i m gesunden H o l z v o r h a n d e n e G l u k o s e ist, die d i e C e l l u l a s e p r o d u k t i o n i m A n f a n g a n r e g t oder ob die geschilderten A b weichungen v o m geradlinigen A b b a u v e r l a u f e m i t einer konzentrationsabhängigen I n h i b i e r u n g u n d S t i m u l a t i o n der Enzymreaktionen i m S i n n e des Massenwirkungsgesetzes e r k l ä r t w e r d e n müssen, ist noch ungeklärt. U m d i e Einflüsse d e r v o n e i n a n d e r verschiedenen F e r m e n t s y s t e m e d e r d r e i F ä u l e a r t e n k e n n e n z u l e r n e n , w u r d e i h r V e r h a l t e n gegenüber Buchenholz, welches v o n a l l e n d r e i e n a b g e b a u t w i r d , u n t e r s u c h t . D i e oben e r w ä h n t e S t a u u n g b z w . d e r V e r b r a u c h v o n Stoffwechselzwischenp r o d u k t e n k a n n a n a l y t i s c h festgestellt w e r d e n a n d e r Z u - b z w . A b n a h m e der d u r c h T e i l d e p o l y m e r i s a t i o n a l k a l i l ö s l i c h w e r d e n d e n A n t e i l e der e i n z e l n e n K o m p o n e n t e n , a n der Differenz zwischen d e n a n a l y t i s c h b e s t i m m t e n H o l z b e s t a n d t e i l e n u n d 100 s o w i e schließlich a m A u f t r e t e n der wasserlöslichen S p a l t p r o d u k t e Oligosaccharide u n d Säuren. D i e P i l z e der d r e i F ä u l e n u n t e r s c h e i d e n sich n u n c h a r a k t e r i s t i s c h d a durch, daß sie die g e b i l d e t e n Z w i s c h e n p r o d u k t e verschieden schnell v e r b r a u c h e n , d. h. daß d e r e n B i l d u n g s - u n d V e r b r a u c h s g e s c h w i n d i g k e i t i n e i n e m j e w e i l s b e s t i m m t e n V e r h ä l t n i s z u e i n a n d e r stehen. Es ist noch n i c h t b e k a n n t , w e l c h e F a k t o r e n diese S t e u e r u n g der E n z y m a k t i v i t ä t e n besorgen. V o m A n w a c h s e n der P a r t i a l h y d r o l y s a t e der K i e f e r n c e l l u l o s e d u r c h B r a u n f ä u l e i n der ersten P e r i o d e w u r d e b e r e i t s gesprochen. B e i m B u c h e n h o l z ( K . SEIFERT, 1963) v o l l z i e h t sich d e r A b b a u i n e t w a s gem ä ß i g t e r F o r m , i n j e d e m F a l l aber i m gleichen S i n n . D e r C e l l u l o s e a b b a u b e t r ä g t i m A n f a n g 0,5 °/o j e T a g (oder 2,3 °/o j e °/o H V ) , w ä h r e n d i m D u r c h s c h n i t t des G e s a m t a b l a u f s 0,3 % der C e l l u l o s e j e T a g (oder 1,4 %> j e °/o H V ) v e r l o r e n gehen. D i e d u r c h K e t t e n v e r k ü r z u n g a l k a l i löslichen A n t e i l e b i l d e n gleich anfangs Vs der C e l l u l o s e u n d erreichen, nach B e e n d i g u n g der R u h e p e r i o d e , b e i m A b b a u g r a d ( H V ) v o n 4 0 % fast die H ä l f t e der noch v o r h a n d e n e n Cellulose. D a auch d i e A l k a l i l ö s l i c h k e i t der H e m i c e l l u l o s e n u n d v o r a l l e m d i e des L i g n i n s s t ä n d i g steigen, e r g i b t sich das f ü r B r a u n f ä u l e charakteristische steile Wachsen der L ö s l i c h k e i t der H o l z m u s t e r b i s z u m M a x i m u m v o n 30 . . . 40 % , w e n n u n a b g e b a u t e C e l l u l o s e ( u n d H e m i c e l l u l o s e n ) k a u m noch v o r h a n d e n ist u n d der V e r b r a u c h a n H y d r o l y s a t e n die N a c h l i e f e r u n g n e u e r a l l m ä h l i c h z u ü b e r s t e i g e n b e g i n n t . Es b l e i b t jedoch das i m B e g i n n geb i l d e t e R e s e r v o i r a n Z w i s c h e n p r o d u k t e n bis z u m E n d e des F ä u l e v o r gangs bestehen, so daß sich f ü r d i e gesamte D a u e r c h r o m a t o g r a p h i s c h die löslichen H y d r o l y s e n p r o d u k t e der C e l l u l o s e ( u n d H e m i c e l l u l o s e n ) feststellen lassen (Cellobiose, Cellotriose, X y l o b i o s e , X y l o t r i o s e , X y l o tetraose; A r a b i n o b i o s e ) (Fig. 2).

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K a r l Seifert

Fig. 2. Papierchromatogramm der Zucker aus Buchenholz bei B r a u n fäule durch Coniophora cerebella. Abbau: 200 = 0°/o, 201 = 4 % , 206 = 56 °/o.

Fig. 3. Papierchromatogramm der Zucker aus Buchenholz bei Weißfäule durch Polystictus versicolor. Abbau: 700 « 0 °/o, 701 = 4 °/o, 702 = 9 °/o, 703 = 18 °/o, 704 = 28 °/o, 705 = 38 °/o.

H i e r b e i ist zwischen der ersten und letzten Abbaustufe quantitativ k e i n wesentlicher Unterschied festzustellen; lediglich für die Cellobiose w u r d e i n der ersten Stufe ein besonders hoher W e r t (300 γ j e g H o l z substanz) gefunden.

Über den A b b a u der Holzcellulose durch Organismen Weißfäule (Beispiel: Polystictus

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versicolor)

I n diesem F a l l ( K . SEIFERT, 1966 a) h a b e n w i r es m i t e i n e m B e i s p i e l des auch „ S i m u l t a n f ä u l e " g e n a n n t e n E n z y m z u s a m m e n s p i e l s z u t u n , b e i w e l c h e m a l l e H o l z k o m p o n e n t e n gemäß i h r e r A n f a n g s k o n z e n t r a t i o n a b g e b a u t w e r d e n . D i e s e m T y p d ü r f t e n d i e m e i s t e n V e r t r e t e r der sog. W e i ß f ä u l e angehören. I n der ersten P e r i o d e t r i t t b e i i h r e i n V e r l u s t v o n 0,2 °/o d e r Cellulose j e T a g (bzw. 1,3 °/o j e °/o H V ) ein, i m D u r c h s c h n i t t des F ä u l e v e r l a u f s 0,15 Vo der Cellulose j e T a g (1 % j e °/o H V ) . B e i m C e l l u l o s e a b b a u b i l d e n sich, a l l m ä h l i c h steigend g e r i n g e a l k a l i l ö s l i c h e A n t e i l e ; eine gewisse S t a p e l u n g v o n Z w i s c h e n p r o d u k t e n findet n u r i n d e r ersten H ä l f t e s t a t t , b e i H V 4 . . . 18 */o. Das M a x i m u m d e r A l k a l i l ö s l i c h k e i t l i e g t b e i H V 9 °/o, sie s i n k t v o n H V 40 % a n u n t e r die v o n g e s u n d e m H o l z . Das a n f ä n g l i c h e A n s t e i g e n der A l k a l i l ö s l i c h k e i t g e h t w e n i g e r a u f d i e C e l l u l o s e als a u f d i e Pentosane z u r ü c k . I m C h r o m a t o g r a m m zeigt sich, i n Ü b e r e i n s t i m m u n g m i t o b i g e n B e f u n d e n , außer d e n Z u c k e r n der X y l o s e r e i h e n u r Glucose, a l l e w i e d e r u m m i t e i n e m K o n z e n t r a t i o n s m a x i m u m v o n e t w a H V 9 o/o. V o m H V 40 °/o a n s i n d i m C h r o m a t o g r a m m k e i n e Z u c k e r m e h r sichtbar (Fig. 3). D i e B i l d u n g v o n P a r t i a l h y d r o l y s a t e n i m S i n n e einer B e v o r r a t u n g findet d a h e r b e i der W e i ß f ä u l e n i c h t sofort, s o n d e r n erst z u r M i t t e des F ä u l e v o r g a n g s h i n i n bescheidenem M a ß e s t a t t u n d erst anschließend ü b e r s t e i g t der V e r b r a u c h die B i l d u n g v o n Z w i s c h e n p r o d u k t e n , sobald die A l k a l i l ö s l i c h k e i t a b z u n e h m e n u n d d i e Z u c k e r a u f d e m C h r o m a t o g r a m m spärlicher z u w e r d e n b e g i n n e n . Moderfäule (Beispiel: Chaetomium

globosum)

W e n n m a n e i n e m V e r g l e i c h d i e Z e i t z u g r u n d e legt, so e r w e i s t sich d i e M o d e r f ä u l e als d i e langsamste, da sie 4 . . . 5 m m s t a r k e B u c h e n p l ä t t c h e n i n 600 T a g e n u m 50 °/o a b b a u t , w ä h r e n d B r a u n - u n d W e i ß f ä u l e h i e r z u n u r 300 Tage b e n ö t i g e n . G l e i c h w o h l besitzt i h r e C e l l u l a s e i m A n f a n g d i e höchste A k t i v i t ä t v o n allen. I n d e n ersten T a g e n w e r d e n fast 1 ο/ο d e r C e l l u l o s e j e T a g (oder 3,7 °/o j e °/o H V ) abgebaut. A u f d e n G e s a m t a b b a u v o r g a n g gerechnet, g e h e n jedoch n u r e t w a s ü b e r 0,1 °/o j e T a g (oder 1,2 °/o j e Vo H V ) v e r l o r e n ( K . SEIFERT, 1966 b). Selbst i n d e r ersten, sehr a k t i v e n P e r i o d e s a m m e l n sich k e i n e D e p o l y m e r i s a t e an, u n d es k a n n k e i n e i n f o l g e K e t t e n v e r k ü r z u n g a l k a l i l ö s l i c h e C e l l u l o s e festgestellt w e r d e n . D a sich auch a u f d e m C h r o m a t o g r a m m k e i n e Z u c k e r zeigen, ist z u f o l g e r n , daß d i e C e l l u l o s e nach d e m A n g r i f f sofort z u CO2 u n d H2O a b g e b a u t w i r d , ohne daß es z u e i n e r A n h ä u f u n g der H y d r o l y s a t e u n d S ä u r e n k o m m t . D i e V e r b r a u c h s g e s c h w i n d i g k e i t

K a r l Seifert

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l i e g t i n diesem F a l l ü b e r der B i l d u n g s g e s c h w i n d i g k e i t u n d d i e P i l z e l e b e n sozusagen v o n der H a n d i n d e n M u n d . So b l e i b t es bis z u m E n d e des F ä u l n i s v o r g a n g s , u n d da nach u n d nach auch d i e a l k a l i l ö s l i c h e n A n t e i l e aus d e m gesunden H o l z v e r b r a u c h t w e r d e n , s i n k t v o n B e g i n n a n d i e A l k a l i l ö s l i c h k e i t , als e i n charakteristisches M e r k m a l der M o d e r fäule. Entsprechendes g i l t auch f ü r d i e H e m i c e l l u l o s e n . N u r das L i g n i n w i r d i n s t e i g e n d e m M a ß e a l k a l i l ö s l i c h , seine A b b a u p r o d u k t e w e r d e n i m C h r o m a t o g r a m m s i c h t b a r ; die D e m e t h o x y l i e r u n g ist b e i der M o d e r f ä u l e besonders k r ä f t i g . Z w e i f e l l o s müssen nach n e u e r e n U n t e r s u c h u n g e n ( K . S E I F E R T , 1 9 6 4 b) auch die B l ä u e p i l z e z u r G r u p p e der M o d e r f ä u l e e r r e g e r g e z ä h l t w e r d e n . D i e B l ä u e e r w i e s sich a u f g r u n d der festgestellten D i s s i m i l a t i o n s v e r l u s t e als eine echte F ä u l e , b e i w e l c h e r d i e P o l y s a c c h a r i d e m i t sehr g e r i n g e r G e s c h w i n d i g k e i t d e p o l y m e r i s i e r t w e r d e n , die A l k a l i l ö s l i c h k e i t jedoch v o n B e g i n n a n u n t e r die gesunden Holzes s i n k t . D i e w i c h t i g s t e n der u n t e r s c h e i d e n d e n M e r k m a l e f ü r d e n A b b a u d u r c h B r a u n - , W e i ß - u n d M o d e r f ä u l e s i n d i n der T a b e l l e 2 a u f g e f ü h r t : die verschiedenen a n f ä n g l i c h e n u n d d u r c h s c h n i t t l i c h e n A b b a u s t ä r k e n , d i e

Tab.

2. C h a r a k t e r i s t i k a des Celluloseabbaus (Buchenholz) durch Braun-, Weiß- u n d Moderfäule. Pilzart

Zahlenerklärung

Coniophora cerebello,

Polystictus versicolor

Chaetomium globosum

Cellulose-Abbau je °/o Holzgew.-Verlust i m Anfang

2,3

1,3

3,7

Cellulose-Abbau je °/o Holzgew.-Verlust i m Durchschnitt

1,4

1,0

1,2

Gesamter Holzgew.Verlust °/o

56

47

53

Gesamter CelluloseA b b a u Vo

78

48

65

Lösliche Zucker

alle

teilweise

keine

>30

< 10

0

Holzgew.-Verlust °/o bei maximaler A l k a l i l ö s lichkeit

Über den A b b a u der Holzcellulose durch Organismen

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c h a r a k t e r i s t i s c h e n A n t e i l e der C e l l u l o s e a m gesamten A b b a u , d i e A n w e s e n h e i t v o n Oligosacchariden u n d das v o n e i n a n d e r a b w e i c h e n d e V e r h a l t e n gegenüber A l k a l i l a u g e . D i e m i t g e t e i l t e n A n a l y s e n w e r t e zeigen d e n g r o ß e n U n t e r s c h i e d i n der G e s c h w i n d i g k e i t des H o l z a b b a u s z w i s c h e n T i e r u n d P i l z a u f ; es m u ß aber b e r ü c k s i c h t i g t w e r d e n , daß das v o m T i e r a u f g e n o m m e n e N a g s e i v o m e n z y m h a l t i g e n V e r d a u u n g s s a f t u m h ü l l t w i r d , w ä h r e n d die v o n d e n P i l z h y p h e n abgesonderten F e r m e n t e m i t t e l s d e r H o l z f e u c h t i g k e i t z u m S u b s t r a t d i f f u n d i e r e n müssen. Gesetzmäßigkeiten des Celluloseabbaus So v e r s c h i e d e n a r t i g auch i m m e r sich d i e e i n z e l n e n Phasen b e i m C e l l u loseabbau d u r c h d i e 3 F ä u l e a r t e n ( u n d w a h r s c h e i n l i c h auch w ä h r e n d der t i e r i s c h e n V e r d a u u n g ) a b s p i e l e n mögen, d e r Z e r s t ö r u n g s v o r g a n g u n t e r l i e g t i n a l l e n F ä l l e n i m G e s a m t a b l a u f Gesetzmäßigkeiten, v e r g l e i c h t m a n das E n d s t a d i u m m i t d e m u r s p r ü n g l i c h e n Z u s t a n d . W i r d z. B . die C e l l u l a s e w i r k s a m k e i t der e i n e r a n d e r e n E n z y m k o m ponente, e t w a der Pentosanase, d. h. w e r d e n d i e a b s o l u t e n i m gleichen Z e i t r a u m a b g e b a u t e n M e n g e n C e l l u l o s e u n d Pentosane g e g e n ü b e r gestellt, so w i r d g e f u n d e n , daß sie stets a n g e n ä h e r t i m selben V e r h ä l t nis z u e i n a n d e r stehen, w o b e i das K o n z e n t r a t i o n s v e r h ä l t n i s i m A u s gangsholz d e n Q u o t i e n t e n m a ß g e b l i c h beeinflußt. B e i e i n e m Q u o t i e n t e n i m B u c h e n h o l z v o n 1,7 findet m a n f ü r d e n A k t i v i t ä t s q u o t i e n t e n 1,6 (Weißfäule); l i e g t der S u b s t r a t q u o t i e n t b e i 2,0, r e s u l t i e r e n d i e A k t i v . Q u o t i e n t e n 2,1 ( M o d e r f ä u l e ) ; 2,2 ( B r a u n f ä u l e ) u n d 2,5 ( K . flavicollis). B e i K i e f e r n h o l z ( Q u o t i e n t e n der K o m p o n e n t e n 3,6 b z w . 4,4) l i e g e n d i e A k t i v . - Q u o t i e n t e n b e i 5,5 b z w . 7,6. Dies b e d e u t e t , daß b e i B u c h e n h o l z z. B. d u r c h d i e E n z y m e v o n T i e r u n d Pflanze die C e l l u l o s e i m V e r g l e i c h z u d e n Pentosanen stets i n e t w a d o p p e l t e r M e n g e i m gleichen Z e i t r a u m zersetzt w i r d . M a n k a n n daraus f ü r d e n A b b a u der C e l l u l o s e u n d der a n d e r e n P o l y s a c c h a r i d e a b l e i t e n , daß die E n z y m a k t i v i t ä t e n a n g e n ä h e r t d e n S u b s t r a t k o n z e n t r a t i o n e n i m A u s g a n g s h o l z entsprechen. Das gleiche g i l t f ü r d i e W e i ß f ä u l e , doch so, daß h i e r auch das L i g n i n a m Z u s a m m e n w i r k e n t e i l n i m m t . B e t r ä g t i m B u c h e n h o l z z. B . das V e r h ä l t n i s Cellulose : Pentosane : L i g n i n 1 :0,6 : 0,6, so e r g i b t sich b e z ü g l i c h d e r a b g e b a u t e n G e w i c h t s t e i l e u n d d a m i t f ü r die A k t i v i t ä t e n v o n Cellulase, Pentosanasen u n d L i g n i n a s e ebenfalls e i n V e r h ä l t n i s v o n 1 : 0,6 : 0,6. U n t e r s u c h t m a n d e n U m f a n g , d e n d i e Z e r s e t z u n g der C e l l u l o s e d u r c h s c h n i t t l i c h i m R a h m e n des gesamten d u r c h die V e r a t m u n g e n t s t a n d e n e n H o l z g e w i c h t s v e r l u s t e s e i n n i m m t , so m ü ß t e nach d e m soeben E r l ä u t e r t e n b e i der W e i ß f ä u l e e i n A n t e i l a b g e b a u t e r C e l l u l o s e a m H o l z s c h w u n d v o n e t w a 40 % v o r l i e g e n , w a s auch m i t d e n a n a l y t i s c h e n E r g e b n i s s e n ü b e r 8 Material und Organismen, Beiheft 1

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K a r l Seifert

e i n s t i m m t ; d e n n d i e Cellulose w i r d h i e r p r o p o r t i o n a l i h r e r K o n z e n t r a t i o n i m gesunden H o l z abgebaut. A n d e r s l i e g e n d i e V e r h ä l t n i s s e , sow e i t B r a u n f ä u l e , M o d e r f ä u l e oder tierische V e r d a u u n g i n B e t r a c h t k o m m e n . I n a l l e n diesen F ä l l e n l i e g t d e r A n t e i l d e r d i s s i m i l i e r t e n C e l l u l o s e a n d e n g e s a m t e n D i s s i m i l a t e n zwischen 50 u n d 60 °/o. Diese Ergebnisse e n t s t a m m e n B e r e c h n u n g e n aus U n t e r s u c h u n g e n ü b e r d e n H o l z a b b a u d u r c h 22 holzzerstörende P i l z e u n d 15 holzfressende T i e r e , w o b e i 11 L a u b h o l z - u n d 4 N a d e l h o l z a r t e n eingesetzt w u r d e n . D e m H o l z a n a l y t i k e r ist s o m i t die M ö g l i c h k e i t geboten, a l l e i n d u r c h die C e l l u l o s e b e s t i m m u n g e n u n d F e s t s t e l l u n g der W i c h t e d i f f e r e n z z u e n t scheiden, ob W e i ß f ä u l e oder eine der a n d e r e n F ä u l e t y p e n v o r l i e g t . Z u r V e r a n s c h a u l i c h u n g dieser V e r h ä l t n i s s e s i n d i n F i g u r 4 d i e D i a g r a m m e des A b b a u s d a r g e s t e l l t , der b e i B r a u n f ä u l e e i n e n A n t e i l abg e b a u t e r C e l l u l o s e z u der gesamten D i s s i m i l a t i o n v o n 60 °/o u n d b e i W e i ß f ä u l e v o n 40 °/o l i e f e r t , w ä h r e n d d i e M o d e r f ä u l e d u r c h e i n e n z w i schen b e i d e n l i e g e n d e n W e r t gekennzeichnet ist.

Fig. 4. Celluloseabbau (Buchenholz) durch Braun-, Weiß- und Moderfäule. F ü r die B e t e i l i g u n g der Cellulose a m k a t a b o l i s t i s c h e n Stoffwechsel ergeben sich m i t h i n 2 M ö g l i c h k e i t e n : L i e g t der L i g n i n a b b a u w e i t u n t e r d e m der P o l y s a c c h a r i d e ( B r a u n - u n d M o d e r f ä u l e ) oder w i r d er g a r p r a k t i s c h b e d e u t u n g s l o s (Insekten), b e s c h r ä n k e n sich also die F e r m e n t e

Über den A b b a u der Holzcellulose durch Organismen

115

des L i g n i n a s e k o m p l e x e s d a r a u f , z u d e m e t h o x y l i e r e n oder n i e d r i g m o l e k u l a r e A r o m a t e n a b z u s p a l t e n oder das L i g n i n bis z u r A l k a l i l ö s l i c h k e i t z u d e p o l y m e r i s i e r e n , so w i r d der Stoffwechsel aus d e n v o r h a n d e nen Kohlehydraten, proportional zu i h r e m Gehalt i m Substrat, bestritten. V e r f ü g t der a b b a u e n d e O r g a n i s m u s j e d o c h ü b e r e i n v i e l s e i t i g e n t w i c k e l t e s E n z y m s y s t e m , welches das L i g n i n gänzlich, d. h. bis z u CO2 u n d H2O a b z u b a u e n v e r m a g (Weißfäule), so w i r d die D e p o l y m e r i s a t i o n d e r Polysaccharide a u f e i n e n n i e d r i g e r e n A b b a u g r a d z u r ü c k g e d r ä n g t , w e i l dann v o n den letzteren kleinere A n t e i l e zur Bestreitung der L e b e n s v o r g ä n g e b e n ö t i g t w e r d e n u n d die L i g n i n a s e als g l e i c h w e r t i g e r Partner a m enzymatischen Z u s a m m e n w i r k e n t e i l n i m m t .

Zusammenfassung Das Grundsätzliche des chemisch fermentativen Abbaus der Cellulose i n der Natur, ihre hydrolytische Aufspaltung u n d anschließende oxydative Zersetzung der Zucker, w i r d erläutert. Die Besonderheiten, die sich bei der tierischen Holzcelluloseverdauung ergeben, ihre Abhängigkeit v o m Eiweißgehalt des Substrats, von der A n wesenheit von Symbionten, den Lebensbedingungen der Tiere u n d von der Zusammensetzung des Futterholzes werden an Beispielen (Käfer, Holzschädlinge des Meeres, Termiten) besprochen. Die Unterschiede, denen man i m A b l a u f der drei durch Basidiomyceten u n d Ascomyceten hervorgerufenen Holzfäulnisprozesse (Braun-, Weiß-, Moderfäule) begegnet, werden aufgrund analytischer Befunde durch eine jeweils für den Fäuletyp charakteristische K i n e t i k der Produktion und des Verbrauchs der Abbauzwischenprodukte erklärt. Schließlich w i r d das Gesetzmäßige, welches sich trotz aller voneinander abweichender Einzelvorgänge bei der Cellulosezersetzung durch Tier und Pflanze ergibt, geschildert.

Summary On the decomposition of wood cellulose by organisms The fundamentals of the chemical-fermentative decomposition of cellulose, its hydrolysis and the subsequent oxidative breakdown of sugar are illustrated. The peculiarities which result from the animal lose, their dependence on the protein content of the of symbionts, on the environmental conditions for composition of the wood on which they feed are (beetles, marine wood parasites, termites).

digestion of wood cellusubstrate, on the presence the animals, and on the discussed w i t h examples

The differences i n results between the three processes of wood rotting (brown, white, soft rots) produced by Basidiomycetes and Ascomycetes are explained on the basis of analytical results, sometimes through the characteristic production kinetic of the type of r o t t i n g and through the consumption of the intermediate products of decomposition. 8*

K a r l Seifert

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F i n a l l y a description is given of the characteristic regularities existing i n spite of a l l seperate i n d i v i d u a l deviations i n the cellulose decomposition by animals and plants.

Résumé Sur la dégradation de la cellulose du bois par des organismes Les principes de l'attaque chimique de la cellulose par fermentation, sa dégradation hydrolytique et la décomposition consécutive des sucres par oxidation, sont explicités. Les particularités observées lors de la digestion de la cellulose d u bois par les organismes animaux, l'influence d u teneur en protéines d u substrat, de la présence de symbiontes, des conditions vitales des animaux et de la composition d u bois duquel ils se nourissent sont discutées à l'aide d'exemples (insectes, xylophages marins, termites). Les différences dans le processus des trois types de pourritures d u bois (pourriture blanche, pourriture brune, p o u r r i t u r e molle), provoquées par des Basidiomycètes et des Ascomycètes, sont expliquées à la suite de découvertes analytiques par une cinétique caractéristique, pour chaque type de pourriture, de la production et de la consommation des produits de décomposition i n t e r médiaires. E n conclusion les conformités caractéristiques se manifestantes en dépit de tous processus individuels lors de la décomposition de la cellulose par des organismes animaux ou végétaux sont décrites.

Schrifttum G.: Z u r Ernährungsphysiologie der Hausbockkäfer-Larven (Hylo trupes bajulus L.). Die Naturwiss. 26 (1938), 462—463. BECKER, G.: Untersuchungen über die Ernährungsphysiologie der Hausbockkäfer-Larven. Z. vgl. Physiol. 29 (1942), 315—388. BECKER, G.: Beiträge zur Ökologie der Hausbockkäfer-Larven. Z. angew. Entomol. 31 (1949), 135—174. N O R D , F. F., and V I T U C C I , J. C.: The mechanism of enzyme action. X X I X The acetate metabolism of certain wood destroying moulds and the mechanism of wood decay. Arch. Biochem. 14 (1947), 229. SCHUBERT, W. J.: Über L i g n i n und Lignifizierung. 14. M i t t . Holz als Roh- u. Werkstoff 12 (1954), 373—377. SEIFERT, Κ . : Die chemische Veränderung der Holzzellwand-Komponenten unter dem Einfluß pflanzlicher u n d tierischer Schädlinge. 2. M i t t . A b b a u von Pinus sylvestris L . durch Coniophora cerebello, Pers. Holzforschung 16 (1962 a), 102—113. BECKER,

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SEIFERT,

ber den A b b a u der Holzcellulose durch Organismen

117

K . : Die chemische Veränderung der Holzzellwand-Komponenten unter dem Einfluß pflanzlicher u n d tierischer Schädlinge. 4. M i t t . Die Verdauung von K i e f e r n - und Rotbuchenholz durch die Termite Kalotermes flavicollis Fabr. Holzforschung 16 (1962 c), 161—168. SEIFERT, K . : Chemische Parallelen beim A b b a u der Holzsubstanz durch Organismen. Holz als Roh- u. Werkstoff 21 (1963), 85—96. SEIFERT, K . : Uber den A b b a u der Holzsubstanz durch die Bohrassel Limnoria. Holz als Roh- u. Werkstoff 22 (1964 a), 209—215. SEIFERT, K . : Die Veränderung der chemischen Holzzusammensetzung durch pullulans (de Bary) Berkhout ( = Aureobasidium den Bläuepilz Pullularla pullulane [de B a r y l Arnaud). Holz als Roh- u. Werkstoff 22 (1964 b), 405—409. SEIFERT, K . : Chemischer A b b a u der Buchenholz-Zellwand durch den Weißfäulepilz Polystictus versicolor (Linn.) Fr. Holz als Roh- u. Werkstoff 24 (1966 a), 81—86. SEIFERT, K . : Die chemische Veränderung der Buchenholz-Zellwand durch Moderfäule (Chaetomium globosum Kunze). Holz als Roh- u. Werkstoff 24 (1966 b). SEIFERT,

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STEVENS,

Anschrift des Verfassers: D r . K A R L SEIFERT

Bundesanstalt für Materialprüfung, B e r l i n 45 (Dahlem), Unter den Eichen 87

Decay Patterns Produced by Chaetomium

globosum

i n Beechwood Fibers A Chemical and Microscopic Study By

MICHAEL P. LEVI*

Department of Plant Pathology, N o r t h Carolina State University, Raleigh (U. S. A.) Since t h e s o f t - r o t f u n g i f i r s t w e r e recognised to h a v e i m p o r t a n c e i n t h e n a t u r a l d e t e r i o r a t i o n of w o o d (W. P. K . FINDLAY AND J. G. SAVORY, 1954) m u c h research has been done t o characterise t h e decay caused b y t h i s g r o u p of organisms, a n d m o r e p a r t i c u l a r l y t h e actions of Chaetomium globosum w h i c h r e a d i l y decays h a r d w o o d s u n d e r l a b o r a tory

c o n d i t i o n s ( e g . J . G . SAVORY a n d L . C . P I N I O N , 1 9 5 8 ; F . H . A R M S T R O N G

a n d J. G. SAVORY, 1959; W . LIESE, 1963). H o w e v e r , t h e r e is s t i l l c o n t r o v e r s y a b o u t t h e a c t i o n of t h i s f u n g u s o n t h e l i g n i n f r a c t i o n of w o o d a n d e x p l a n a t i o n s are l a c k i n g f o r t h e p a t t e r n s of decay observed. T h e present w o r k w a s u n d e r t a k e n to p r o v i d e a d d i t i o n a l k n o w l e d g e of these p a t t e r n s . Materials and Methods S o f t - r o t f u n g i cause decay o n w o o d surfaces a n d r e q u i r e v e r y m o i s t conditions for satisfactory g r o w t h . T h e r e f o r e beechwood veneers 5 X 3 X 0.5 cms w e r e used i n b o t h t h e c h e m i c a l a n d microscopic w o r k . The weighed veneers were sterilised over propylene oxide, impregnated w i t h water and decayed on filter paper inoculated w i t h a spore suspension of Chaetomium globosum. The filter paper was on Abrams medium (E. ABRAMS, 1 9 4 8 ) . The blocks were removed at regular intervals, the surface mycelium carefully removed and the blocks dried and weighed. The decayed wood was ground to pass a standard 60 mesh sieve and then analysed for solubility i n ethanol-benzene and hot water, l i g n i n content, m e t h o x y l i n the lignin, alpha-cellulose, hemicellulose A and hemicellulose B, carbohydrate composition, 1 °/c sodium hydroxide solubility and finally degree of polymerisation of the alpha-cellulose obtained by n i t r a t i o n of the wood. * The author wishes to thank Professor R. D. PRESTON for helpful advice, and Hickson's Timber Impregnation Co., Castleford, England, who financed this w o r k which was carried out i n the A s t b u r y Dept. of Biophysics, Leeds University.

120

Michael P. L e v i

Decayed beechwood was observed under the polarizing microscope between crossed nicols using a Red I plate and i n the electron microscope. B o t h carbon replicas and u l t r a - t h i n sections were used i n the latter.

Results T h e results of t h e c h e m i c a l analysis are s h o w n i n Figs. 1 — 5. F i g u r e 1 shows t h a t t h e r e w a s l i t t l e change i n t h e s o l u b i l i t y of t h e w o o d i n e t h a n o l - b e n z e n e a n d h o t w a t e r d u r i n g decay. L i g n i n a n d h e m i c e l l u l o s e decreased i n q u a n t i t y at a n i n c r e a s i n g r a t e as decay proceeded w h e r e a s a l p h a - c e l l u l o s e w a s r e m o v e d at a constant rate. F r a c t i o n a t i o n of t h e h e m i c e l l u l o s e s h o w e d t h a t t h e a m o u n t of t h e l o n g e r c h a i n f r a c t i o n , h e m i c e l l u l o s e B , decreased at a constant rate. O f t h e c a r b o h y d r a t e s , g l u c a n a n d m a n n a n w e r e r e m o v e d at a constant rate, x y l a n , a r a b a n a n d g a l a c t a n at i n c r e a s i n g rates (Fig. 2).

Fig. 1. The change i n amounts of α-cellulose, lignin, hemicellulose and extractives (based on the weight of sound wood) as decay proceeds.

Fig. 2. The rate of removal of the i n d i v i d u a l sugars from wood as decay proceeds.

F i g u r e 3 shows t h e change i n D P of t h e a l p h a - c e l l u l o s e w i t h decay. The m a x i m u m value was approximately fifteen percent greater t h a n that for sound wood.

Decay Patterns Produced by Chaetomium

globosum

121

CU Q 2200

10

20

30

40

Fig. 3. The change i n the weight average degree of polymerisation of the α-cellulose fraction of the wood as decay proceeds.

50%

Weight loss

A n a l y s i s of t h e a l k a l i solubles t o g e t h e r w i t h t h e d e t e r m i n a t i o n of m e t h o x y l i n t h e l i g n i n (Figs, 5 a n d 4 r e s p e c t i v e l y ) s h o w e d t h a t a l t h o u g h o n l y a r e l a t i v e l y s m a l l p r o p o r t i o n of t h e l i g n i n w a s r e m o v e d the r e m a i n i n g l i g n i n was definitely modified. Thus m e t h o x y l groups were preferentially removed from the l i g n i n and the residual l i g n i n became i n c r e a s i n g l y s o l u b l e i n d i l u t e a l k a l i .

• 1 % N a O H solubles ο potential reducing substance Δ apparent lignin χ sulphuric a c i d lignin

I—x- x 20

40

60

%

Weight loss

Fig. 4. The rate of removal of the Klason l i g n i n and the l i g n i n metho x y l from wood as decay proceeds.

Weight loss

Fig. 5. The change i n the composition of the a l k a l i soluble fraction of the wood (based on the weight of sound wood) as decay proceeds.

Michael P. L e v i

122

Optical microscopy showed t h a t cavities w e r e i n i t i a t e d w i t h i n the secondary w a l l b y e i t h e r a change i n d i r e c t i o n o r b r a n c h i n g of h y p h a e passing f r o m t h e l u m e n i n t o t h e secondary w a l l , or b y a change i n d i r e c t i o n of h y p h a e passing f r o m t h e p i t c h a m b e r i n t o t h e secondary w a l l . As the cavities developed they g r e w first i n l e n g t h and t h e n i n diameter and f i n a l l y only the skeletal compound m i d d l e lamellae coated w i t h a r e s i d u e r e m a i n e d . T h i s p a t t e r n w a s described as b e i n g g e n e r a l f o r s o f t - r o t f u n g i b y H . COURTOIS ( 1 9 6 3 ) . E l e c t r o n m i c r o s c o p y i n d i c a t e d t h a t i n t h e e a r l y stages of c a v i t y f o r m a t i o n d i s s o l u t i o n w a s localised a r o u n d t h e h y p h a e a n d l a t e r became m o r e general, a l t h o u g h n e v e r complete, l e a v i n g a v e r y g r a n u l a r m i d d l e l a m e l l a coated w i t h secondary w a l l m a t e r i a l .

Discussion F r o m t h e results of t h i s i n v e s t i g a t i o n i t is possible to b u i l d u p a p i c t u r e of t h e v a r i o u s stages i n t h e attack of b e e c h w o o d f i b e r s b y Chaetomium a l t h o u g h p a r t s of t h i s are s t i l l l a r g e l y h y p o t h e t i c a l . H y p h a e e n t e r t h e secondary w a l l e i t h e r f r o m a p i t chamber or d i r e c t l y f r o m t h e l u m e n , sometimes passing t h r o u g h t h e w a l l to an a d j a c e n t c e l l l u m e n . I n o t h e r cases t h e h y p h a e change d i r e c t i o n or b r a n c h (or b o t h ) w i t h i n t h e S2 l a y e r a n d g r o w l o n g i t u d i n a l l y p a r a l l e l t o t h e m i c r o f i b r i l s . I t is n o t clear w h y t h e h y p h a e e n t e r t h e w a l l s w h e r e t h e y do. J. F . LEVY (1963) suggested t h a t p l a s m o d e s m a t a m a y p r o v i d e t h e p o i n t of e n t r y . T h i s is a v e r y a t t r a c t i v e p r o p o s i t i o n since t h e p l a s m o d e s m a t a m a y w e l l p r o v i d e a source of n i t r o g e n i n a m a t e r i a l c o n t a i n i n g l i t t l e n i t r o g e n , a n d t h e y c o u l d also e x p l a i n t h e i r r e g u l a r passage of t h e b o r e h y p h a e ( i n a l o n g i t u d i n a l p l a n e t h e i r p a t h is s t r a i g h t b u t i n a t r a n s v e r s e p l a n e i t is sometimes c u r v e d ) because i t has been observed t h a t i n d e v e l o p i n g cells t h e p l a s m o d e s m a t a are sometimes c u r v e d i n t h e transverse plane. H o w e v e r , to t h e a u t h o r s k n o w l e d g e , p l a s m o d e s m a t a h a v e n o t b e e n observed across t h e w a l l s of f u l l y m a t u r e d w o o d fibers. A l t e r n a t i v e l y e n t r y m a y be r a n d o m t a k i n g place b y m e c h a n i c a l or e n z y m a t i c action. It

has

been

noted

( N . CORBETT

and

J . F . LEVY,

1963;

W . LIESE,

1964)

t h a t t h e change i n d i r e c t i o n of g r o w t h of t h e h y p h a e w i t h i n t h e c e l l w a l l u s u a l l y occurs a f t e r p e n e t r a t i o n of t h e m i d d l e l a m e l l a , a l t h o u g h t h e p r e s e n t i n v e s t i g a t i o n has s h o w n t h a t t h i s is n o t a l w a y s t h e case. S e v e r a l hypotheses based o n c e l l w a l l s t r u c t u r e can be p u t f o r w a r d to e x p l a i n t h e change i n d i r e c t i o n , b u t n o n e of these e x p l a i n e n t i r e l y s a t i s f a c t o r i l y b r a n c h i n g a f t e r m i d d l e l a m e l l a p e n e t r a t i o n . Some of these hypotheses are as f o l l o w s :

Decay Patterns Produced by Chaetomium

globosum

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1. Plasmodesmata or other cell w a l l capillaries may be responsible. I f these are b l i n d it can be postulated that a change i n direction occurs w h e n ever a capillary end is reached. 2. The inner portion of the cell wall, eg. the S 3 layer, may act as a barrier to continued growth. The increase i n the degree of polymerisation of the alpha-cellulose during decay can then be explained by postulating that regions of high molecular weight resist attack and these regions form the barrier to continued g r o w t h (D. P. of alpha-cellulose has not been directly associated w i t h resistance to cellulose hydrolysis but D. P. may be connected w i t h crystallinity, and this is k n o w n to affect susceptibility to hydrolysis by enzymes). M . S H I M I Z U , H . Y A M A D A and T . S A K A N E ( 1 9 5 9 ) have suggested that the D. P. may increase towards the lumen, but hemicellulose may have contributed to their D. P. results. No other w o r k on D. P. variation w i t h i n the cell w a l l has been published to the author's knowledge. The resistant barrier may also be due to chemical entities eg. i n h i b i t o r y substances deposited f r o m the cytoplasm, or resistant hemicelluloses. I t w o u l d appear that normally hyphae pass through the first barrier and change direction on reaching the second, but occasionally change direction after passage through the first. A l t e r n a t i v e l y if entry takes place via capillaries change i n direction may occur as soon as the capillary ends and a resistant layer is met. 3. There may exist w i t h i n the S.2 layer localised regions of l o w resistance. I t can then be postulated that the hyphae change direction on reaching one of these regions. This hypothesis also w o u l d explain the increase i n D. P. of the alpha-cellulose if the regions contained chains of l o w or medium molecular weight. A f t e r t h e change of d i r e c t i o n i n t h e S2 l a y e r n a r r o w cavities are f o r m e d w h i c h t h e n increase i n d i a m e t e r , a n d t h e c o n i c a l l y - t i p p e d c y l i n d e r s characteristic of t h e s o f t - r o t f u n g i are f o r m e d . T h e results of t h i s i n v e s t i g a t i o n suggest t h a t t h e shape of t h e c a v i t i e s can be e x p l a i n e d b y a m o d i f i c a t i o n of P . A . R O E L O F S E N ' S t h e o r y ( 1 9 5 6 ) . I t can be p o s t u l a t e d t h a t t h e r a t e of decay is g o v e r n e d b y l i g n i n m o d i f i c a t i o n r a t h e r t h a n cellulose d e c o m p o s i t i o n . T h e l o n g i t u d i n a l p a t h f o r d i f f u sion w i l l be b e t w e e n t h e m i c r o f i b r i l s a n d t h e t r a n s v e r s e p a t h w i l l be t h r o u g h t h e l i g n i n present b e t w e e n c r y s t a l l i n e regions of t h e m i c r o f i b r i l s . I t m u s t t h e n be assumed t h a t l o n g i t u d i n a l d i f f u s i o n is m o r e r a p i d t h a n t r a n s v e r s e a n d t h a t t h e enzymes are s t r o n g l y adsorbed o n t h e s u b s t r a t e o r m y c e l i u m . E v i d e n c e f o r t h e l a t t e r p o i n t is t h a t t h e e x t r a c e l l u l a r e n z y m e s o l u t i o n f r o m Chaetomium globosum cultured o n a suspension of p o w d e r e d beechwood i n w a t e r , has no effect o n w o o d b u t can h y d r o l y s e c r y s t a l l i n e cellulose (M. P . L E V I , 1 9 6 4 ) . I t is i n t e r e s t i n g to consider t h e i m p o r t a n c e of d e m e t h y l a t i o n i n t h e l i g n i n m o d i f y i n g reaction. B o t h t h e s o f t - r o t f u n g u s Chaetomium globosum and the b r o w n - r o t s preferentially remove m e t h o x y l groups f r o m l i g n i n a n d t h e w h i t e - r o t s r e m o v e m e t h o x y l as w e l l as b r e a k i n g d o w n t h e l i g n i n m o l e c u l e f u r t h e r . I t seems possible t h e r e f o r e t h a t d e m e t h y l a t i o n m a y be a n essential step i n t h e b r e a k d o w n of w o o d . T w o possible e x p l a n a t i o n s are t h a t t h i s p h y s i c a l l y frees t h e cellulose or, m o r e

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p r o b a b l y , t h a t t r a n s m e t h y l a t i o n is of i m p o r t a n c e i n m a i n t a i n i n g t h e b i o c h e m i c a l processes i n v o l v e d i n t h e b r e a k d o w n of t h e w o o d . T h e f o r m a t i o n of d i s t i n c t cavities w i t h i n t h e secondary w a l l is f o l l o w e d b y g e n e r a l d i s s o l u t i o n of t h e c e l l w a l l : a m o d i f i e d l i g n i n s k e l e t o n is l e f t f i n a l l y . T h e c o n s t r i c t i o n s i n t h e c a v i t i e s m a y be d u e to localised absence of e n z y m e secretion o n t h e h y p h a l surface p o s s i b l y i n t h e v i c i n i t y of septa. Some evidence f o r t h i s w a s o b t a i n e d i n a n e l e c t r o n m i c r o s c o p i c a l i n v e s t i g a t i o n of b i r c h w o o d a t t a c k e d b y Conio thyrium fuckelii ( M . P . LEVI, 1964). C o m p a r i n g t h e results of t h e c h e m i c a l analysis described above w i t h t h e d i s t r i b u t i o n of c o n s t i t u e n t s i n t h e c e l l w a l l (H. MEIER, 1961) i t seems c e r t a i n t h a t d e c o m p o s i t i o n i n i t i a l l y is l o c a l i s e d w i t h i n t h e secondary w a l l . T h e c a r b o h y d r a t e f r a c t i o n is m e t a b o l i s e d c o m p l e t e l y b u t t h e l i g n i n is o n l y m o d i f i e d a n d e i t h e r is compressed m e c h a n i c a l l y b y t h e h y p h a e or collapses to f o r m t h e characteristic cavities. T h e g e n e r a l p a t t e r n s of decay observed i n s o f t - r o t t e d w o o d as w e l l as t h e p o s i t i o n of s o f t - r o t s i n r e l a t i o n to b r o w n - a n d w h i t e - r o t f u n g i w i l l n o w be considered. H . C O U R T O I S ( 1 9 6 3 ) o b s e r v e d s o f t - r o t c a v i t i e s of f o u r t e e n d i f f e r e n t f o r m s i n fibers, tracheids, vessels a n d p a r e n c h y m a . I t seems l i k e l y , h o w ever, t h a t m a n y of these represent d i f f e r e n t stages i n t h e d e v e l o p m e n t of t h e same c a v i t y . Differences i n t h e a p i c a l angles of t h e c a v i t y t i p s can be e x p l a i n e d b y differences i n t h e u l t r a - s t r u c t u r e of t h e secondary w a l l , m o r e p a r t i c u l a r l y i n t h e size of c r y s t a l l i n e regions of t h e m i c r o fibrils (if t h e m o d i f i c a t i o n of P. A . ROELOFSEN'S t h e o r y is a p p l i c a b l e ) . N . CORBETT (1963) described erosion f r o m t h e l u m e n as t h e m a i n f o r m of attack i n b i r c h w o o d decayed b y Coniothyrium fuckelii a n d t h i s too can be e x p l a i n e d b y c o n s i d e r i n g t h e c e l l w a l l u l t r a - s t r u c t u r e . B i r c h w o o d contains a n S3 l a y e r w i t h m i c r o f i b r i l s a l m o s t p a r a l l e l to those i n t h e S2 l a y e r , i n fact t h e r e is some c o n t r o v e r s y as to w h e t h e r t h e r e is r e a l l y a d i s t i n c t S3 l a y e r . T h u s i f t h e r e s i s t a n t l a y e r p o s t u l a t e d e a r l i e r is absent t h e n erosion f r o m t h e l u m e n s i m p l y represents h a l f c a v i t y f o r m a t i o n . T h i s also w o u l d e x p l a i n t h e f o r m a t i o n of V - s h a p e d nicks i n t h e first stage of decay. E r o s i o n f r o m t h e l u m e n also has been observed i n aspen (W. MERRILL, 1965) b u t too l i t t l e is k n o w n of t h e u l t r a - s t r u c t u r e of t h e w o o d to p e r m i t i n t e r p r e t a t i o n of t h e p a t t e r n s of decay i n v o l v e d . O n t h e basis of c h e m i c a l analysis Chaetomium globosum behaves i n some w a y s l i k e a b r o w n - r o t f u n g u s (effect o n l i g n i n ) a n d i n o t h e r w a y s l i k e a w h i t e - r o t f u n g u s (effect o n solubles). H . L Y R ( 1 9 6 0 ) suggested t h a t as f a r as t h e cellulases a n d h e m i c e l l u l a s e s are concerned differences b e t w e e n t h e f u n g i are d u e to q u a n t i t a t i v e v a r i a t i o n s i n e n z y m e p r o d u c t i o n r a t h e r t h a n to q u a l i t a t i v e differences i n enzymes p r o d u c e d . I f t h i s is t r u e W . L I E S E ( 1 9 6 3 ) is correct i n c o n c l u d i n g t h a t t h e soft-rots are v e r y s i m i l a r i n a c t i o n to t h e b r o w n - r o t s . H o w e v e r , i t is s t i l l possible

Decay Patterns Produced by Chaetomium

globosum

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t h a t t h e r e are q u a l i t a t i v e differences i n t h e enzymes p r o d u c e d . T h i s p r o b l e m can o n l y be s o l v e d b y c h a r a c t e r i s a t i o n of enzymes i n v o l v e d i n t h e b r e a k d o w n of t h e w o o d . F u r t h e r m o r e , a l t h o u g h Chaetomium globosum is r e g a r d e d as a t y p i c a l s o f t - r o t fungus, t h e r e are p r o b a b l y i m p o r t a n t differences w i t h i n t h i s g r o u p , eg. Alternaria sp. causes erosion f r o m t h e l u m e n i n s o f t w o o d s (W. LIESE, 1964) a n d possesses a n e x t r a c e l l u l a r p h e n o l o x i d a s e a n d t h u s w o u l d appear to be m o r e closely r e l a t e d to t h e w h i t e - r o t f u n g i r a t h e r t h a n t h e b r o w n - r o t s . C o n s e q u e n t l y i t m a y be t h a t w o o d - d e s t r o y i n g f u n g i are d i v i s i b l e i n t o t w o basic groups, those a b l e to decompose l i g n i n , i n c l u d i n g t h e w h i t e - r o t s a n d a f e w soft-rots, a n d those a b l e to m o d i f y b u t n o t decompose t h e l i g n i n i n c l u d i n g b r o w n - r o t s a n d t h e r e m a i n i n g soft-rots. Summary Beechwood veneers decayed by Chaetomium globosum for different time periods were analysed for materials soluble i n ethanol-benzene, hot water and dilute alkali: cellulose, hemicelluloses A and B, l i g n i n and l i g n i n methoxyl. The a l k a l i soluble fraction was further fractionated into acid soluble and acid insoluble fractions. The effects of decay on the i n d i v i d u a l sugars i n the wood and upon the degree of polymerisation of the cellulose were also investigated. These results are discussed together w i t h the results of optical and electron microscopy, and hypotheses to explain the characteristic pattern of attack are put forward. Zusammenfassung Durch Chaetomium globosum verursachte Befallsmuster an BuchenholzFasern — eine chemisch-mikroskopische Untersuchung Buchenholz-Furniere, die verschieden lange Zeit durch Chaetomium globosum angegriffen waren, w u r d e n auf Bestandteile untersucht, die i n Ä t h a n o l Benzol, heißem Wasser u n d verdünntem A l k a l i löslich sind: Cellulose, H e m i cellulose A und Β sowie L i g n i n u n d L i g n i n - M e t h o x y l . Die alkalilösliche F r a k t i o n wurde i n säurelösliche u n d säureunlösliche Bestandteile weiter zerlegt. Außerdem w u r d e die "Wirkung des Pilzangriffs auf die einzelnen Holzzucker u n d den Polymerisationsgrad der Cellulose untersucht. Die Ergebnisse werden i m Zusammenhang m i t den licht- u n d elektronenmikroskopischen Befunden erörtert, u n d es werden Hypothesen zur E r k l ä r u n g der charakteristischen Befallsmuster vorgeschlagen. Résumé Formes d'attaques produites par Chaetomium globosum sur des fibres de bois de hètre — investigation chimico-microscopique Des lamelies de bois de hètre attaqué pendant des périodes de longueurs différentes par Chaetomium globosum furent analysées pour des composants solubles dans l'éthanol-benzène, dans l'eau chaude et dans une solution alcaline diluée: la cellulose, les hémicelluloses A et Β , la lignine et la lignine méthoxylée. L a fraction soluble dans l'alcali fut fractionnée en deux parties, l'une soluble dans l'acide et l'autre insoluble dans l'acide.

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Les effets de la pourriture sur les sucres individuels d u bois et sur le degré de polymérisation de la cellulose furent aussi l'object de recherches. Ces résultats sont discutés en mème temps que les données obtenues par l'analyse microscopique optique et électronique. Sont proposées des hypothèses expliquant le mode caractéristique d'attaque.

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Address of the author: Dr. MicrfAEL P. L E V I Department of Plant Pathology, N o r t h Carolina State University, Raleigh, N. C. 27 607, U . S . A .

Les Enzymes Hydrolysant les Glucides (Hydrates de Carbone) chez les Insectes Xylophages Parasites des Conifères et de quelques autres Arbres Forestiere Par

J E A N E M I L E COURTOIS e t CONSTANTIN

CHARARAS

Laboratoire de Chimie Biologique — Faculté de Pharmacie et Laboratoire de Zoologie — I n s t i t u t National Agronomique Paris (France) Introduction E n 1960 nous avons constaté q u e Ips typographies, u n Scolytide p a r a s i t e de l'Epicéa, r e n f e r m a i t u n e g r a n d e v a r i é t é d'osidases ( g l y cosidases) aptes à h y d r o l y s e r d i v e r s oligosaccharides, hétérosides et de n o m b r e u x polysaccharides. U n e p a r t i e des polysaccharides h y d r o l y s é s p l u s o u m o i n s c o m p l è t e m e n t é t a i e n t des c o n s t i t u a n t s d u bois. N o u s avons c o n s t i t u é u n e é q u i p e de recherches q u i a p o u r s u i v i ces t r a v a u x avec d ' u n e p a r t Yips et d ' a u t r e p a r t u n e q u i n z a i n e d'insectes x y l o p h a g e s parasites des arbres forestiers. N o u s avons r e t r o u v é chez tous les insectes x y l o p h a g e s u n é v e n t a i l f o r t v a r i é d'osidases. Nous grouperons dans cet article les principaux résultats obtenus jusqu'ici avec nos collaborateurs: Madame M. M. DEBRIS, dont les recherches ont fait l'objet d'une thèse de Doctorat d'Université ( 2 4 ) , A . T H U I L L I E R et Madame B U I - K H A C - D I E P , q u i préparent sous notre direction des thèses de Doctorat. Une partie des déterminations analytiques ont été réalisées par Madame A . L A U R A N T - H U B É et quelques unes par Madame C. PUISSOCHET, techniciennes d u Centre National de la Recherche Scientifique. Nos travaux ont déjà fait l'objet de deux mémoires généraux (16) (17). Certains des sujets abordés dans cet exposé y sont plus abondamment développés. Dans le but de ne pas augmenter la taille de cet article, nous ne ferons que les y résumer. M a t é r i a l et Techniques Substrats Oligosaccharides et hétérosides l i s correspondent aux principaux types de liaisons osidiques. Glucopyranosides — type a: a-méthylglucoside, a-phénylglucoside, maltose, mélézitose, saccharose et tréhalose.

Jean Emile Courtois et Constantin Chararas

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— type β: /?-méthylglucoside, /?-phénylglucoside et picéoside; ce ß-glucoside de la p.-hydroxyacétophénone est abondant dans les feuilles d'épicéa. Galactopyranosides — type α: α-phénylgalactoside et raffinose; — type β : /?-phénylgalactoside et lactose. F r u c t o f u r a n o s i d e s . L e saccharose et le raffinose sont ε μ ε ΰ ε ρ ϋ ^ ^ de libérer du fructose par attaque de l'invertase sur la liaison fructofuranosidique d u saccharide. Polysaccharides Amidon

de blé.

C e l l u l o s e . Fils de coton hydrophile dilacérés — hydrocellulose préparée par action de l'acide chlorhydrique sur le coton selon le protocole décrit par A . R O U D I E R (46) — cellulose gonflée obtenue par action de l'acide phosphorique sur la cellulose en poudre Whatman, selon le protocole utilisé par G. H A L L I W E L L (31) — cellophane commerciale. Carboxyméthylcellulose s o d i q u e . Pour nos premiers essais nous avons employé la Blanose R 195 — S — de la firme Novaceì. Par la suite, J . E . COURTOIS et Bui K H A C D I E P (9) ( 1 0 ) ont décrit u n mode de preparation des carboxyméthylcelluloses réalisable et reproductible au laboratoire. Iis ont également établi des protocoles analytiques d u contröle chimique de la carboxyméthylcellulose. Nous utilisons maintenant pour nos essais des celluloses, dont le degré de substitution (D. S.) par l'acide glycolique est défini. Celles de (D. S.) voisin de 0,6 nous ont donné des résultats réguliers. Μ a η η a η e. Obtenue à p a r t i r des graines d'un palmier, le Phoenix canariensis, selon le protocole de J . È. COURTOIS et P . LE D I Z E T ( 1 9 ) . Ce polysaccharide est formé d'unités /?-mannopyranosyl reliées en ( l - > 4 ) , P. LE D I Z E T ( 4 1 ) , J . E . COURTOIS e t P . LE D I Z E T

(20).

G l u c o m a n n a n e . Extraite des bulbes d'orchidées (Salep syrien) selon le protocole de M. D A L O U L , F. P E T E K et J. E. COURTOIS (23). Ces auteurs ont montré (18) (44), que ce polysaccharide renfermait environ une molécule de glucose pour trois molécules de mannose. Ces hexoses étant réunis par des liaisons /?-pyranosidiques ( 1 - ^ 4 ) . Cette glucomannane, soluble dans l'eau, a une structure très voisine de celle des diverses glucomannanes séparées des bois d'arbres variés au cours des dernières années (18). G a l a c t o m a n n a n e des graines de Luzerne préparée par J . E. COURTOIS, et F. P E T E K (8). Des unités a-galactopyranosyl sont reliées en (1 6) à une chaine d'unités /?-mannopyranosyl associées en ( 1 - ^ 4 ) . C . ANAGNOSTOPOULOS

A r a b o g l u c u r o n o x y l a n e obtenue par A. R O U D I E R (45) (47), à p a r t i r de la paille de blé, précipitée par l'éthanol et purifiée par redissolution dans la soude. C'est u n polysaccharide d'un degré de polymérisation moyen de 107. I l est formé d'une chaine centrale d'unités /?-D-xylopyranosyl, reliées en (l->4), sur cette chaine se greffent 3 à 4 unités de L-arabofuranose, reliées en (1 3) au xylose et des acides glucuronique et méthyl-0-4-glucuronique, reliés en (1 3) au xylose. G l u c u r o n o x y l a n e dérivant d u polysaccharide précédent, après élimination de l'arabinose par hydrolyse partielle en présence d'acide oxalique.

Enzymes Hydrolysant les Glucides chez Insectes Xylophages

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L ' h é m i c e l l u l o s e B 7 , séparée par A . R O U D I E R (46) (47) (48), d'une holocellulose au chlorite de P i n maritime. Elle renferme environ 2 0 % d'une glucuronoaraboxylane, 45 °/o d'une glucomannane et 4 à 5 °/o d'une glucuronoarabogalactane. L ' h é m i c e l l u l o s e C x d u bois de P i n m a r i t i m e , obtenue par A . R O U D I E R (46) (47) (48), contient 25 °/o de pectate de sodium, 22 à 23 °/o d'arabogalactanes et glucuronoarabogalactanes, 7 à 8 °/o de glucomannanes et galactoglucomannanes, 30 à 35 °/o de mono-O-méthyl-4-glucuronoaraboxylanes 1 . P e c t i n e . Préparation injectable arrhémapectine Gallier. Elle libère par hydrolyse sulfurique de l'arabinose, d u galactose, de l'acide galacturonique et une faible quantité de xylose. Insectes Parasites

des Conifères

Ips typographus L . (Coléoptères S c o l y t i d a e ) , attaque plus spécialement l'épicéa, C. CHARARAS (5). Récoltés dans le M o r v a n bourguignon: forèt de SaintP r i x , au H a u t - F o l i n et pare de Chanteau, près de Saulieu (Còte-d'Or). Ips acuminatus G y l l e n h a l l (Coléoptères S c o l y t i d a e ) , attaque les d i f férents pins avec une préférence très nette pour Pinus sylvestris , C . CHARARAS (5). Récolté sur cet arbre en forèt de Fontainebleau. Pissodes notatus F. (Coléoptères C u r c u l i o n i d a e ) . Cet insecte est l'une des pricipales causes d u dépérissement généralisé d u P i n m a r i t i m e en Provence, C. CHARARAS (4) (6). Les insectes ont été récoltés à Beauvallon (Var) et mis en élevage au laboratoire. U n Longicorne Pogonochaerus Perroudi Mulsant (Coléoptères C é r a m b y c i d a e ) . Cet insecte marque une nette spécificité pour les Conifères. Sur le P i n maritime, i l s'attaque aux arbres en voie de dépérissement complet ou aux arbres attaqués auparavant par Blastophagus piniperda L. u n Scolytide xylophage. Ce Longicorne est done une espèce secondaire s'attaquant aux sujets souffreteux. Les larves furent récoltées sur le P i n m a r i t i m e à Beauv a l l o n (Var). Antaxia corinthia Reiche (Coléoptères B u p r e s t i d a e ) , xylophage attaquant divers Conifères, mais avec une spécificité marquée pour le Cèdre d u Liban. Les larves furent récoltées dans une forèt de ces arbres en Turquie (région d u Taurus). Les larves se développent à l'intérieur d u bois. Hylobius abietis L . (Coléoptères C u r c u l i o n i d a e ) , adultes avant n u t r i tion, récoltés sur le P i n sylvestre en forèt de Fontainebleau en novembre. Carphoborus minimus Fab. (Coléoptères S c o l y t i d a e ) , insectes adultes de très petite taille, d ' u n poids moyen de 0,5 millig., récoltés sur Pinus brutia en Turquie. Phloeosinus cedri sub. sp. acatayi Schedi (Coléoptères Scolytidae), adultes, récoltés en T u r q u i e dans une forèt de Cèdres d u Liban, dont ils représentent u n parasite spécifique. Parasites

des Peupliers

Nous avons étudié des espèces xylophages et d'autres phyllophages. Capnodis milliaris K l u g (Coléoptères B u p r e s t i d a e ) . 1 Nous désirons remercier A . ces substrats hémicellulosiques.

ROUDIER,

9 Material u n d Organismen, Beiheft 1

q u i nous a obligeamment procuré

130

Jean Emile Courtois et Constantin Chararas

L a larve est xylophage et l'adulte phyllophage. Les larves récoltées en Turquie pesaient de 0,70 à 3 g. Leur taille a permis d'opérer sur des preparations correspondant à trois parties de l'insecte, 1. l a p a r t i e antér i e u r e q u i comprend la tète et les glandes salivaires, 2. l a p a r t i e m é d i a η e qui contient la poche gastrique avec deux coecums, le début et le m i l i e u de l'intestin moyen et les extrémités supérieures des tubes de Malpighi, 3. l a p a r t i e p o s t é r i e u r e où se trouvent la terminaison de l'intestin moyen, la valvule pylorique, l'intestin postérieur, la presque totalité de la longueur des tubes de M a l p i g h i avec la région cryptonéphridique. Nous avons observé des bactéries mélangées avec des fragments de bois dans les régions de la poche gastrique et de l'intestin moyen. Melanophila pietà Pali. (Coléoptères B u p r e s t i d a e ) . Larves xylophages (liber, aubier, bois de coeur). Melasoma populi L. (Coléoptères C h r y s o m e l i d a e ) . Les adultes furent récoltés quelques jours avant la ponte dans une période d'intense nutrition. Les larves et les adultes de cette espèce phyllophage se nourrissent d u parenehyme foliaire des feuilles de Peuplier et provoquent d'importants dégats. Polyphylla fullo L. (Coléoptères S c a r a b e i d a e ) . Grosses larves récoltées au dernier stade évolutif avant la nymphose. Les larves se développent dans le tissu cortical des racines des espèces des genres Populus et Salix; elles causent de gros ravages à la périphérie de l'aubier. Sciapteron tabaniformis Rott. (Lépidoptères S e s i i d a e). Larves en n u t r i t i o n active récoltées dans la moelle du tronc. Gypsonoma aceriana Dup. (Lépidoptères T o r t r i c i d a e ) . Petites larves prélevées à l'extrémité des tiges et ayant terminé leur seconde nutrition. Ces larves se nourrissent à l'intérieur des feuilles de Peuplier, puis dans les tiges des rameaux et les bourgeons foliaires. Tous les parasites du Peuplier furent récoltés en Turquie par C. CHARARAS au cours d u printemps et de l'été 1963. Parasites des Chènes Scolytus intricatus Ratzeburg (Coléoptères S c o l y t i d a e ) , espèce spécifique des feuillus, larves au 3 e stade en n u t r i t i o n pré-hivernale, d'un poids moyen de 8 millig., récoltées sur des chènes de la forèt de Fontainebleau près de Paris. Agrilus sulcicollis Lacordaire (Coléoptères B u p r e s t i d a e ) , larves en état de diapause hivernale, done après une très forte nutrition, d'un poids moyen de 15 millig., récoltés sur des chènes à Fontainebleau. Insectes non xylophages Dans u n but comparatif nous avons adjoint deux insectes banaux non xylophages: le Hanneton (Melolontha vulgaris L . Coléoptères L a m e l l i c o r n i a ) , récolté en mai, dans la banlieue sud de Paris et l'Abeille domestique (Apis mellifica Hyménoptères). P r o t o c o l e des essais Obtention des préparations

enzymatiques.

Les insectes sont lavés avec une solution stèrile de chlorure de sodium à 9 g pour 1.000. Iis sont alors additionnés de 100 m i de la mème solution stèrile pour 10 g d'insectes. Nous homogénéisons au broyeur électrique, puis

Enzymes H y d r o l y s a n t les Glucides chez Insectes Xylophages

131

centrifugeons dans u n appareil réfrigéré. L a préparation est alors dialysée dans u n boyau de cellophane contre N a C l à 9 pour 1.000 pendant quatre à six jours à la glacière. Les divers extraits enzymatiques sont conservés à — 20° C; ainsi congelés lis m a i n t i e n n e n t l e u r activité enzymatique. Pour les essais avec les substrats cellulosiques insolubles nous utilisons des extraits non dialysés, car l a cellophane f i x e la cellulose. Mesure de V activité

enzymatique

Les oligosaccharides et hétérosides sont à une concentration M/50 dans le milieu. L'amidon, la carboxyméthylcellulose, la glucomannane et la galactomannane sont à une concentration M/50 en anhydrohexose. Avec l ' A r h é m a pectine 1 m i de préparation injectable est dilué p a r 1,5 m i de préparation enzymatique et de tampon. — Pour les polysaccharides insolubles nous utilisons: hémicelluloses et cellulose gonflée 8 mg. Xylanes substituées 18 mg. Pour u n volume réactionnel t o t a l de 2,5 m l , nous ajoutons au substrat 0,5 m i de t a m p o n de p H 5,2 acide acétique-soude M/10, en acide acétique et u n volume de préparation enzymatique correspondant à 100 m g d'insectes. Après a d d i t i o n d'une goutte de toluène, nous laissons incuber d ' u n à c i n q jours à 37° C. Dans le cas de substrats insolubles nous centrifugeons alors et utilisons le l i q u i d e surnageant. — Des essais témoins sont constitués p a r a l lèlement en substituant de l'eau distillée au substrat. Les oses et oligosaccharides réducteurs sont déterminés directement sur la solution l i m p i d e . Nous utilisons la méthode a u réactif cupro-alcalin de Nelson et Somogyi, selon le protocole opératoire décrit par J . E. COURTOIS et J . POISSON (22). — L e p o u v o i r réducteur de l'essai t é m o i n est déduit; i l en est de mème d u p o u v o i r réducteur i n i t i a l dans l e cas des oligosaccharides réducteurs. Ces pouvoirs réducteurs sont appréciés en glucose. L e pourcentage d'hydrolyse d u substrat est évalué d'après la structure d u substrat lorsqu'elle est bien dénnie (oligosaccharides et hétérosides) ou, dans le cas des p o l y saccharides, p a r rapport à l ' h y d r o l y s a t pendant 24 heures à 100° C dans H 2 S 0 4 4,5 Ν en ampoules scellées. Caractérisation

des produits

de Vhydrolyse

Avec les polysaccharides nous avons réalisé quelques études de l'hydrolysat soumis à l a Chromatographie descendante sur papier Arches 304. Nous développons avec le solvant : acétate d'éthyle : 3, acide acétique : 2,5, n - b u t a n o l : 4, eau : 4, en volumes. Ce solvant fait m i g r e r les oligosaccharides, oses et acides uroniques. — Le solvant : n - b u t a n o l : 9, p y r i d i n e : 5, eau : 4, en volumes, fait m i g r e r les oses et oligosaccharides, sans entramer les acides uroniques associés. — Les chromatogrammes sont révélés par le réactif de F. P E T E R (43) /?-naphtylamine : 0,10 g, t h y m o l : 1 g, acide phosphorique : 2 m i , éthanol à 80° C : 150 m i . Essais avec Yips

typographus

L e s a d u l t e s r e n f e r m e n t u n é v e n t a i l é t e n d u d'osidases (12). L e s p l u s a c t i v e s agissent s u r les o l i g o s a c c h a r i d e s et h é t é r o s i d e s . N o u s a v o n s a i n s i décelé 1. u n e i n v e r t a s e de p H o p t i m u m 4,8, c'est u n e g l u c o s i d o i n v e r t a s e c o m m e c e l l e de l ' a b e i l l e , t a n d i s q u e l e h a n n e t o n r e n f e r m e u n e f r u c t o s i d o i n v e r t a s e c o m m e l a l e v u r e (J. E . COURTOIS, F . P E T E K e t M . A . Z A N O U Z I ( 2 1 ) ) . L ' a t t a q u e de l ' e n z y m e de l ' I p s p o r t e s u r l a 9*

132

Jean Emile Courtois et Constantin Chararas

l i a i s o n a - g l u c o p y r a n o s i d i q u e d u saccharose. S i F o n u t i l i s e le saccharose c o m m e d o n a t e u r d ' o s y l et l e m é t h a n o l c o m m e accepteur, l ' a c t i o n t r a n s f é r a n t e de l ' e n z y m e p r o v o q u e l a synthèse d ' a - m é t h y l g l u c o s i d e . Les oligosaccharidases des insectes o n t d ' a i l l e u r s en g é n é r a l des a c t i v i t é s t r a n s o s y l a n t e s m a r q u é e s (D. W . PAYNE et W . A . L . EVANS (42)).

Fig. 1. Hydrolyse a) d'une carboxyméthylcellulose de D.S 0,57 par la préparation d'Ips typographus, extractible directement par l'eau, b) d'une CMC de D.S 0,57 par la préparation d'Ips typ. extractible par l'eau après une sèrie de congélations et de décongélations, c) d'une carboxyméthylcellulose de D.S 0,57 par la préparation de Capnodis, extractible directement par l'eau (a—c à 37° pendant 22 heures). glucose sucres réducteurs totaux De haut en bas ordre: a — b — c

Enzymes Hydrolysant les Glucides chez Insectes Xylophages

133

2. L ' a c t i v i t é ß - f r u c t o f u r a n o s i d i q u e est i n f i m e sur le β - m é t h y l f r u c t o furanoside. 3. Des α-glucosidases c o m p r e n a n t u n e tréhalase très active, u n e m a l t a s e active. L ' h y d r o l y s e d u mélézitose est l e n t e et celle de l ' a - m é t h y l glucoside i n f i m e . 4. Les autres enzymes t r o u v é s sont u n e /?-glucosidase h y d r o l y s a n t de fagon poussée, le β - p h é n y l g l u c o s i d e et l e picéoside et, p l u s l e n t e m e n t , l e β - m é t h y l g l u c o s i d e ; u n e a-galactosidase de p H o p t i m u m 5,2 h y d r o l y s a n t r a p i d e m e n t Ι ' α - p h é n y l galactoside et le raffinose; u n e /?-galactosidase h y d r o l y s a n t t r o i s fois p l u s r a p i d e m e n t l e /?-phényl-galactoside que l e lactose; enfin, des oc et ß-mannosidases o n t h y d r o l y s é à des vitesses voisines les oc et /?-phénylmannosides. L ' a c t i o n s u r les p o l y s a c c h a r i d e s est p l u s diversifiée. N o u s avons décelé u n e a m y l a s e i n a c t i v e en-dessous de p H 4,6 avec u n o p t i m u m vers p H 5,2. L ' a s s o c i a t i o n a m y l a s e - m a l t a s e c o n d u i t a u glucose. L e c o t o n gonflé et l a c e l l o p h a n e n e sont pas attaqués. L a c a r b o x y m é t h y l c e l l u l o s e f o r t e m e n t substituée n'est pas h y d r o l y s é e . N o u s avons p a r c o n t r e n o t é u n e h y d r o l y s é a p p r é c i a b l e de l a c a r b o x y m é t h y l c e l l u l o s e m o y e n n e m e n t substituée. L e p H o p t i m u m se s i t u e en m i l i e u f a i b l e m e n t acide vers 4,5. I l est l e mème pour la préparation enzymatique directement extractible. Par l ' e a u (fig. l a ) et p o u r l a p r é p a r a t i o n o b t e n u e ensuite p a r m i s e en contact avec de l ' e a u et en p r o c é d a n t à u n e sèrie de congélations et décongélat i o n s (fig. 1 b ) ( J . E . COURTOIS e t B u i K H A C DIEP ( r e c h e r c h e s n o n p u b l i é e s ) ) .

Ces d e u x a u t e u r s o n t é g a l e m e n t d é t e r m i n é à l ' a i d e de l a glucoseo x y d a s e l e glucose l i b é r é . C o m m e le m o n t r e n t les figures l a et b le p H o p t i m u m est le m è m e p o u r l a l i b é r a t i o n de substances r é d u c t r i c e s à p a r t i r de l a c a r b o x y m é t h y l c e l l u l o s e et p o u r l a l i b é r a t i o n de glucose de ce substrat. A v e c l a g l u c o m a n n a n e nous observons (fig. 2) u n p r e m i e r o p t i m u m analogue à c e l u i de l a β (1 4) glucosanase et u n second vers p H 6,0. J . E . COURTOIS e t B u i KHAC DIEP p o u r s u i v e n t a c t u e l l e m e n t l e u r s essais

en v u e de préciser l a spécificité d u o u des enzymes de l ' i p s typographus a t t a q u a n t l a c a r b o x y m é t h y l c e l l u l o s e et les g l u c o m a n n a n e s . N o u s n ' a v o n s n o t é a u c u n e a c t i o n sur l a m a n n a n e de P a l m i e r . L a g l u c o m a n n a n e d'Orchidées est h y d r o l y s é e t o t a l e m e n t en glucose et mannose. L a g a l a c t o m a n n a n e de L u z e r n e est l e n t e m e n t a t t a q u é e p a r l'a-galactosidase, l e seul corps décelé é t a n t l e galactose. L ' a r a b o g l u c u r o n o x y l a n e est l e n t e m e n t scindée en oligosaccharides, arabinose et s u r t o u t xylose. I l n ' y a pas eu de l i b é r a t i o n d'acide g l u c u r o n i q u e o u de son d é r i v é 0 - m é t h y l é en 4. L a g l u c u r o n o x y l a n e est elle aussi h y d r o l y s e é l e n t e m e n t en oligosaccharides et, de plus, d u x y l o s e d o n t l a p r o p o r t i o n a u g m e n t e

Jean Emile Courtois et Constantin Chararas

134

φβ0 1 C \ (0 Q> C ΙΛ C Ο υ 60

Α

/

/

^-ο

ο) e Μ ΦΒ

50 ,

40

e

30

20

10

pH Fig. 2. Hydrolyse de la glucomannane de Salep par la préparation d'Ips typographus, extractible directement par l'eau (à 37° pendant 22 heures). glucose sucres réducteurs totaux

avec le temps. N o u s n ' a v o n s pas décelé l a l i b é r a t i o n d'acides u r o n i q u e s libres. L ' h y d r o l y s e de l ' h é m i c e l l u l o s e Βγ est très poussée, i l y a l i b é r a t i o n de xylose, glucose, m a n n o s e et galactose; l ' a r a b i n o s e et les acides u r o n i q u e s n ' o n t pas été détachés de l e u r s liaisons osidiques. L ' h é m i cellulose C i n'est pas t o t a l e m e n t clivée, i l y a l i b é r a t i o n d ' u n p e u d'arabinose, d ' u n e f o r t e p r o p o r t i o n de x y l o s e , u n e q u a n t i t é m i n i m e de galactose, p a r r a p p o r t à sa p r o p o r t i o n dans cette h é m i c e l l u l o s e . I l se f o r m e , en outre, d i v e r s oligosaccharides.

Enzymes Hydrolysant les Glucides chez Insectes Xylophages

135

Nous n'avons noté aucune libération d'acide glucuronique ou méthyl-0-4glucuronique comme à p a r t i r des autres polysaccharides en contenant. L ' I p s ne parait pas contenir d'enzymes agissant sur les liaisons glucosiduroniques; i l renferme par contre une ou plusieurs galacturonosidases et l'hémicellulose By libère de fortes quantités d'acide galacturonique. Ces galacturonidases hydrolysent de fagon très poussée la pectine. L a viscosité s'abaisse progressivement, i l apparaìt dès le début de l'acide galacturonique et des oligosaccharides se révélant en rouge comme les acides uroniques avec le réactif de F . P E T E K . Dans la phase initiale, i l n'y a pas libération d'arabinose et de galactose. Après une action prolongée de l'enzyme, les oligosaccharides disparaissent presque totalement et le m i l i e u renferme principalement de l'acide galacturonique associé à de petites quantités d'arabinose et de galactose. — Bien que la gomme arabique présente une certaine analogie de structure avec les glucuronoarabogalactanes d u bois, A . R O U D I E R ( 4 7 ) , nous n'avons observé aucune hydrolyse de la gomme arabique par les enzymes de l'ips. D e ces essais i l a p p a r a ì t , d ' u n e fagon p e u t - è t r e u n p e u t r o p schématique, q u e les enzymes de l ' I p s l u i p e r m e t t e n t de d i g é r e r les oligosaccharides de l a sève, l ' a m i d o n des parenchymes, les pectines des espaces i n t r a c e l l u l a r s et les h é m i c e l l u l o s e s des p a r t i e s e x t é r i e u r e s des m e m b r a n e s cellulaires. L ' a c t i o n sur les polysaccharides de l a p a r t i e l a p l u s i n t e r n e de l a m e m b r a n e : cellulose et x y l a n e s , a p p a r a ì t assez médiocre. — L ' a c t i o n de l a pectinase p e u t se m a n i f e s t e r p a r u n r ò l e n u t r i t i f à préciser. E l l e p a r a i t s u r t o u t d e v o i r j o u e r u n r ò l e m é c a n i q u e p e r m e t t a n t de f l u i d i f i e r les espaces i n t e r c e l l u l a i r e s ; ceci f a v o r i s e done l a s é p a r a t i o n des cellules, ce q u i f a c i l i t e r a i t le creusement des galeries dans l e bois et l a d i s j o n c t i o n m é c a n i q u e de ses éléments. Essais avec divers insectes Nos essais o n t été réalisés à p H v o i s i n de 5,0. Les osidases d'insectes, d o n t nous avons d é t e r m i n é l ' a c t i v i t é en f o n c t i o n d u p H , o n t u n o p t i m u m vers 5,0 — 5,5. Les insectes x y l o p h a g e s que nous avons disséqués et d o n t nous avons d é t e r m i n é le p H d u t u b e digestif, o n t u n p H f a i b l e m e n t acide dans l a p a r t i e a n t é r i e u r e j u s q u ' à l a poche g a s t r i q u e . I l d e v i e n t n e u t r e dans l ' i n t e s t i n m o y e n et n e t t e m e n t a l c a l i n dans l ' i n t e s t i n postér i e u r . I l en est de m è m e chez Schistocerca gregaria ( W . A . E V A N S et D.

W.

PAYNE

A c t i o n

(27)).

sur

les

oligosaccharides

et

hétérosides

Les r é s u l t a t s groupés dans l e t a b l e a u I sont analogues à ceux o b t e nus avec d ' a u t r e s insectes x y l o p h a g e s et d é c r i t s dans nos p u b l i c a t i o n s a n t é r i e u r e s (7) (12) (13) (14) (15). T o u s les insectes étudiés r e n f e r m e n t u n ensemble v a r i é d ' e n z y m e s aptes à h y d r o l y s e r les oligosaccharides et les hétérosides de f a i b l e poids moléculaire.

0

30 j

j

1

I

12 ! 0

Ì

6

Β

Π

10

Α

!

I 8

73 j 0 j 5 j ' J

3 1,5

A

:

0

0

0

Β

Scolytus

:

sulcicollis

Agrilus

Jean Emile Courtois et Constantin Chararas

a) Conditions opératoires précisées dans matériel et techniques. Les chiffres du tableau correspondent au pourcentage d'hydrolyse du substrat en 24 heures à 37° à pH 4,8 (saccharose) et 5,2 (autres substrats) par une quantité de préparation enzymatique correspondant à 0 g 10 d'insecte frais (Scolytus et Hylobius) et 0 g 05 (autres insectes). — b) La préparation enzymatique A est l'extrait aqueux dialysé de l'insecte total. Le résidu insoluble est suspendu dans NaCl à 9 g p.l. et soumis à une sèrie de congélations à — 20° et dégels. Le surnageant après centrifugation est la préparation B.

j

j

18

Insectes Phloeosinus intricatus

77 j 4 72

lactose

!

j

14

0

Β

52 1 ! 46 j 0 j ...J I !

i

4

0

7

Α

-

dimerization

Secondary b u i l d i n g stones V

polymerization

— -

Lignin

I t w o u l d seem a p p r o p r i a t e to consider t h e process of l i g n i f i c a t i o n as i t occurs i n h i g h e r p l a n t s f i r s t f r o m t h e v i e w p o i n t of t h e sequence of events w h i c h occur i n t h e l i g n i f y i n g p l a n t . T h e d e v e l o p m e n t of m a t u r e w o o d - f i b e r has been d i v i d e d i n t o f o u r phases: c e l l d i v i s i o n , c e l l e n l a r g e m e n t , c e l l w a l l t h i c k e n i n g a n d l i g n i f i c a t i o n . H o w e v e r , these stages are n o t s t r i c t l y consecutive a n d are n o t to be considered as separate a n d d i s t i n c t phases. T h e b i o c h e m i c a l p a t h w a y of l i g n i n f o r m a t i o n i n p l a n t tissues has been d i v i d e d i n t o t w o d i s t i n c t phases: (a) t h e f o r m a t i o n of t h e p r i m a r y l i g n i n b u i l d i n g stones, such as p - c o u m a r y l alcohol, c o n i f e r y l alcohol, a n d s i n a p y l alcohol, a n d (b) t h e c o n v e r s i o n of these b u i l d i n g stones i n t o l i g n i n itself. A l b e i t a l a r g e n u m b e r of p l a n t c o n s t i t u e n t s h a v e b e e n p o s t u l a t e d as l i g n i n precursors, i n m o s t cases, t h e evidence s u p p o r t i n g these hypotheses has been meager. O n t h e basis of recent observations, t h e m o s t t e n a b l e t h e o r y w o u l d appear to be t h a t l i g n i n is a p o l y m e r of some c o m p o u n d o r c o m p o u n d s w i t h a p h e n y l p r o p a n e skeleton, as f o r e x a m p l e , one o r m o r e of t h e afore m e n t i o n e d t h r e e l i g n i n b u i l d i n g stones. A l t h o u g h some i n f o r m a t i o n o n i s o l a t e d stages of l i g n i n f o r m a t i o n has appeared, t h e t o t a l , c o n t i n u o u s , i n t e g r a t e d series of b i o c h e m i c a l reactions l e a d i n g u l t i m a t e l y f r o m c a r b o n d i o x i d e , v i a c a r b o h y d r a t e i n t e r m e d i a t e s , to t h e p r i m a r y l i g n i n b u i l d i n g stones l o n g r e m a i n e d obscure. T h e p r o b l e m of t h e m e c h a n i s m of l i g n i f i c a t i o n i n c l u d e s t h e e l u c i d a t i o n of t h e i d e n t i t y of t h e c a r b o h y d r a t e p r e c u r s o r f r o m w h i c h l i g n i n is u l t i m a t e l y d e r i v e d , t o g e t h e r w i t h t h e n a t u r e of t h e e n z y m i c reactions o p e r a t i v e d u r i n g t h e process. A s a r e s u l t of these t r a n s f o r m a t i o n s , t h e c a r b o h y d r a t e precursor, p h o t o s y n t h e t i c a l l y d e r i v e d f r o m a t m o s p h e r i c c a r b o n d i o x i d e , is e v e n t u a l l y c o n v e r t e d i n t o l i g n i n . M a n y suggestions h a v e been a d v a n c e d r e l a t i v e to t h e i d e n t i t y of t h i s c a r b o h y d r a t e p r e c u r s o r , b u t these suggestions h a v e been j u s t l y

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F. F. N o r d

r e f e r r e d to as e i t h e r p u r e l y s p e c u l a t i v e or else as based o n evidence of a n i n d i r e c t or f r a g m e n t a r y character. I n a p r e l i m i n a r y investigation, u n i f o r m l y labeled D-glucose-C14 was f e d t o a N o r w a y spruce tree, and, a f t e r a s u i t a b l e p e r i o d of m e t a b o l i s m , r a d i o a c t i v i t y w a s detected i n t h e c a m b i u m l a y e r of t h e tree. T h e l i g n i n of t h i s l a y e r w a s i s o l a t e d a n d f o u n d to be r a d i o a c t i v e . I t w a s o b v i o u s t h a t t h e r a d i o a c t i v i t y of t h e l a b e l e d D - g l u c o s e fed t o t h e t r e e w a s i n c o r p o r a t e d to a c o n s i d e r a b l e e x t e n t i n t o t h e l i g n i n . T h u s , i t w a s a p p a r e n t t h a t t h e t r e e w a s able to c o n v e r t glucose i n t o l i g n i n . C o n s i d e r i n g t h e c e n t r a l place t h a t D - g l u c o s e occupies i n p l a n t b i o c h e m i s t r y , b o t h as a p r o d u c t of p h o t o s y n t h e s i s a n d as a m o n o m e r i c u n i t of cellulose, i t w a s considered s i g n i f i c a n t t h a t t h e t r e e also possessed t h e e n z y m i c e q u i p m e n t necessary to c o n v e r t t h i s m o n o saccharide i n t o l i g n i n . O b v i o u s l y , h o w e v e r , i n t h e case of l i g n i n , an a r o m a t i z a t i o n process is also r e q u i r e d . T h e c o m p a r a t i v e d i s t r i b u t i o n of a c t i v i t y i n t h e v a r i o u s p o s i t i o n s of v a n i l l i n f r o m t h e t w o e x p e r i m e n t s shows t h a t a p p r e c i a b l e a c t i v i t y w a s i n c o r p o r a t e d i n t o carbons 2, 6, 7 a n d 8 of t h e v a n i l l i n , w h e r e a s c o n s i d e r a b l y less a m o u n t s w e r e i n c o r p o r a t e d i n t o t h e o t h e r p o s i tions. These results are t h e r e f o r e s i m i l a r t o those o b t a i n e d f o r t h e b i o s y n t h e s i s of s h i k i m i c a c i d a n d of m e t h y l p - m e t h o x y c i n n a m a t e f r o m glucose a n d h a v e since been a m p l y c o n f i r m e d b y K . KRATZL i n V i e n n a . T h u s , t h e u l t i m a t e o r g a n i c source of l i g n i n is t h e c a r b o h y d r a t e photosynthetically formed b y the plant f r o m atmospheric carbon d i o x ide. P h o s p h o e n o l p y r u v a t e a n d D - e r y t h r o s e - 4 - p h o s p h a t e m a y p o s s i b l y serve as t h e p r o x i m a t e precursors of t h e a r o m a t i c r i n g s of l i g n i n , w h i l e D - g l u c o s e has been d e m o n s t r a t e d to be t h e u l t i m a t e c a r b o h y d r a t e source. F r o m these considerations i t is a p p a r e n t t h a t t h e r e w a s a d i s t r i b u t i o n of a c t i v i t y i n t h e a r o m a t i c r i n g of v a n i l l i n w h i c h agrees w e l l w i t h t h e o r i g i n a l d i s t r i b u t i o n of C 1 4 i n t h e c y c l o h e x e n e r i n g of t h e i n c o r p o r a t e d s h i k i m i c acid. T h u s , a f t e r t h e a b s o r p t i o n of s p e c i f i c a l l y l a b e l e d s h i k i m i c a c i d i n t o a sugar cane p l a n t , i t w a s established t h a t t h i s c o m p o u n d w a s m e t a bolized b y the p l a n t and was incorporated to a great extent into its lignin. T h e d e g r a d a t i o n of t h e l i g n i n , v i a v a n i l l i n , r e v e a l e d t h a t t h e d i s t r i b u t i o n of a c t i v i t y i n t h e a r o m a t i c r i n g s of t h e p r o d u c t w a s c o m p a r a b l e t o t h e d i s t r i b u t i o n of a c t i v i t y i n t h e i n c o r p o r a t e d s h i k i m i c acid. F r o m these results, i t w a s c o n c l u d e d t h a t s h i k i m i c a c i d is a n i n t e r m e d i a t e o n t h e p a t h w a y f r o m c a r b o h y d r a t e , f o r m e d f r o m a t m o s p h e r i c CO2 b y photosynthesis, t o t h e a r o m a t i c r i n g s of t h e l i g n i n b u i l d i n g stones.

Biochemistry of L i g n i n

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Thus, t h e r e can be no d o u b t t h a t l i g n i n is a p r o d u c t of t h e s h i k i m i c a c i d p a t h w a y . T h e p r o b a b l e i n t e r v e n t i o n of p r e p h e n i c a c i d i n t h i s scheme p r o v i d e s a n i n t e r m e d i a t e f r o m w h i c h e i t h e r p h e n y l p y r u v i c o r p - h y d r o x y p h e n y l p y r u v i c acid m i g h t result. One of t h e p r i n c i p a l aspects of t h e l i g n i n p r o b l e m w h i c h impedes t h e u l t i m a t e e l u c i d a t i o n of t h e s t r u c t u r e of t h i s m a t e r i a l is lack of k n o w ledge of t h e n a t u r e of t h e l i n k a g e (or linkages) w h i c h j o i n t h e p h e n y l p r o p a n e b u i l d i n g stones t o g e t h e r i n t h e p o l y m e r . I n d e e d , a v a r i e t y of chemical reactions has been a p p l i e d to l i g n i n i n a n e f f o r t t o degrade i t to m o n o m e r i c , d i m e r i c , a n d h i g h e r o l i g o m e r i c f r a g m e n t s . U n f o r t u n a t e l y , t h e reactions e m p l o y e d are too d r a s t i c a n d d e s t r o y p r e c i s e l y t h e l i n k a g e s w h i c h are to be studied. A n a l t e r n a t e approach has been suggested i n w h i c h t h e " d e p o l y m e r i z a t i o n " of l i g n i n w o u l d b e accomplished enzymically rather t h a n chemically. T o g a i n a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g of t h e m e c h a n i s m of t h e e n z y m i c d e g r a d a t i o n of s o f t w o o d l i g n i n b y w h i t e - r o t f u n g i , a s t u d y of c e r t a i n c h e m i c a l p r o p e r t i e s of i s o l a t e d p i n e a n d spruce w o o d l i g n i n s a f t e r decay b y several w h i t e - r o t f u n g i a n d a d e t e r m i n a t i o n of t h e i n t e r m e d i a t e p r o d u c t s f o r m e d f r o m these l i g n i n s b y t h e a c t i o n of these f u n g i w e r e t h e r e f o r e c a r r i e d out. T h e f u n g i used w e r e Polyporus versicolor , Polyporus subacida J247, Poria subacida N I 9 9 , Fomes fomentarius, pini. a n d Trametes

hirsutus, Poria Fomes annosus,

Several w h i t e - r o t fungi were incubated i n media containing gradually decreasing a m o u n t s of glucose a n d i n c r e a s i n g a m o u n t s of p i n e n a t i v e l i g n i n as sources of carbon. T h e results i n d i c a t e t h a t a l l t h e f u n g i e m p l o y e d w e r e a d a p t a b l e to l i g n i n u t i l i z a t i o n b y g r o w i n g t h e m i n a l i g n i n containing m e d i u m for a prolonged period. Polyphenoloxidase-rich o r g a n i s m s g r e w faster t h a n p o l y p h e n o l o x i d a s e - p o o r species. P a p e r c h r o m a t o g r a p h i c analysis r e v e a l e d t h e presence of a b o u t 15 c o m p o u n d s i n t h e e t h e r e x t r a c t s of p i n e n a t i v e a n d m i l l e d - w o o d NI99, l i g n i n - c o n t a i n i n g m e d i a a f t e r d e c o m p o s i t i o n b y Poria subacida Fomes fomentarius, Fomes annosus, a n d Trametes pini. T h e Rf v a l u e s f o r t h e p r i n c i p a l spots of t h e p r o d u c t s present i n t h e acidic f r a c t i o n of t h e e t h e r e x t r a c t s agreed w i t h t h e v a l u e s f o r v a n i l l i c , p - h y d r o x y b e n z o i c , f e r u l i c , a n d p - h y d r o x y - c i n n a m i c acids. T h e v a l u e s f o r t h e spots of t h e c a r b o n y l c o m p o u n d s corresponded t o t h e e n o l t a u t o m e r of 4 - h y d r o x y 3 - m e t h o x y p h e n y l p y r u v i c acid, v a n i l l i n , d e h y d r o d i v a n i l l i n , c o n i f e r a l dehyde, a n d p - h y d r o x y c i n n a m a l d e h y d e . T h e v a l u e s f o r t h e spots of t h e p h e n o l i c p r o d u c t s agreed w i t h those of g u a i a c y l g l y c e r o l a n d i t s / i - c o n i f e r y l ether. I n a d d i t i o n , t h e color reactions a n d positions of t h e m a x i m u m a n d m i n i m u m u l t r a v i o l e t absorptions of these p r o d u c t s also agreed w i t h those of a u t h e n t i c compounds.

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F. F. Nord

M . E. K . HENDERSON a n d h e r c o - w o r k e r s h a v e r e p o r t e d t h a t Polystictus versicolor produces a n e x t r a c e l l u l a r a r o m a t i c a l c o h o l oxidase w h i c h is able t o o x i d i z e a r o m a t i c p r i m a r y alcohols, such as c o n i f e r y l , v a n i l l y l , a n d v e r a t r y l alcohols, to t h e c o r r e s p o n d i n g aldehydes, w h i l e a r o m a t i c secondary alcohols, such as g u a i a c y l g l y c o l a n d g u a i a c y l g l y c e r o l , are n o t o x i d i z a b l e . T h e y also f o u n d t h a t m a t s of t h i s o r g a n i s m m e t a b o l i z e t h e / j - g u a i a c y l g l y c e r o l , b u t n o t analogous c o m p o u n d s i n w h i c h t h e p h e n o l i c h y d r o x y l g r o u p s are etherified. R e c e n t l y , i n t h e d e c o m p o s i t i o n p r o d u c t s of p h e n o l i c c o m p o u n d s p r o d u c e d b y s o i l f u n g i , Μ . Ε . K . HENDERSON i d e n t i f i e d v a n i l l i c acid, w h i c h w a s f o r m e d f r o m v a n i l l i n a n d f e r u l i c acid, a n d s y r i n g i c acid, f o r m e d f r o m s y r i n g a l d e h y d e . T o g a i n a d d i t i o n a l evidence f o r t h e m e t a b o l i s m of c e r t a i n d e g r a d a t i o n p r o d u c t s of s o f t w o o d l i g n i n b y w h i t e - r o t f u n g i , a s t u d y of t h e e n z y m i c conversions of several a r o m a t i c c o m p o u n d s r e l a t e d to t h e s t r u c t u r e of l i g n i n b y Polyporus versicolor a n d Fomes fomentarius was therefore c a r r i e d out. A l l substrates tested w e r e m e t a b o l i z e d b y b o t h Polyporus versicolor a n d Fomes fomentarius. I n general, t h e g u a i a c y l c o m p o u n d s w e r e r a p i d l y metabolized, w h i l e the p - h y d r o x y p h e n y l compounds were s o m e w h a t m o r e r e s i s t a n t t o attack u n d e r t h e same c o n d i t i o n s . p-Hydroxycinnamate, p-hydroxyphenylpyruvic, ferulic, and 4hydroxy-3-methoxyphenylpyruvic acids, c o n i f e r a l d e h y d e , coniferyl alcohol, isoeugenol, a n d g u a i a c y l g l y c e r o l w e r e especially r a p i d l y metabolized. T h e p r i n c i p a l m e t a b o l i c p r o d u c t s f o r m e d f r o m t h e substrates tested w e r e v a n i l l i c a c i d a n d d e h y d r o d i v a n i l l i n , f r o m v a n i l l i n ; v a n i l l i c acid, v a n i l l i n , and d e h y d r o d i v a n i l l i n , f r o m v a n i l l y l alcohol; acetovanillone, g u a i a c y l m e t h y l c a r b i n o l , f e r u l i c acid, 4 - h y d r o x y - 3 - m e t h o x y p h e n y l pyruvic acid, E r d t m a n ' s acid, p i n o r e s i n o l , s y m p l o c o s i g e n o l and d e h y d r o d i i s o e u g e n o l ; v a n i l l i c acid, v a n i l l i n , d e h y d r o d i v a n i l l i n , a n d f e r u l i c acid, f r o m c o n i f e r a l d e h y d e ; v a n i l l i c acid, v a n i l l i n , d e h y d r o d i v a n i l l i n , f e r u l i c acid, a n d c o n i f e r a l d e h y d e , f r o m isoeugenol a n d c o n i f e r y l a l c o h o l ; v a n i l l i c acid, v a n i l l i n , 4-hydroxy-3-methoxyphenylpyruvic acid, a n d some u n i d e n t i f i e d c o m p o u n d s f r o m g u a i a c y l g l y c e r o l . T h e t a u t o m e r s of p - h y d r o x y p h e n y l p y r u v i c acid a n d of 4 - h y d r o x y 3 - m e t h o x y p h e n y l p y r u v i c acid were identified b y their absorption spectra, b y t h e spontaneous t a u t o m e r i z a t i o n of t h e e n o l to t h e k e t o f o r m s i n e t h a n o l s o l u t i o n s of t h e f o r m e r , a n d b y t h e c a t a l y z e d t a u t o m e r i z a t i o n of t h e k e t o f o r m s to e n o l borates. F r o m these e x p e r i m e n t s i t is b e l i e v e d t h a t 4 - h y d r o x y - 3 - m e t h o x y p h e n y l p y r u v i c a c i d is a n i n t e r m e d i a t e i n t h e f u n g a l d e g r a d a t i o n of t h e g u a i a c y l g l y c e r o l - / ? - c o n i f e r y l ether u n i t s present i n s o f t w o o d l i g n i n ,

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a n d t h a t t h e e n o l f o r m of t h i s a c i d is f u r t h e r d e g r a d e d to v a n i l l i c a c i d v i a v a n i l l i n b y a s h o r t e n i n g of i t s side chain. I t appears t h a t t h e first step i n t h e d e g r a d a t i o n of s o f t w o o d l i g n i n b y c e r t a i n w h i t e - r o t f u n g i consists i n a loss of m e t h o x y l g r o u p s a n d i n t h e cleavage of c e r t a i n e t h e r l i n k a g e s of t h e l i g n i n , t o g e t h e r w i t h deg r a d a t i o n of t h e v a n i l l i n - y i e l d i n g elements, a n d t h a t t h e p r o d u c t s t h u s o b t a i n e d are c o n v e r t e d to v a n i l l i c acid, w h i c h m a y b e f u r t h e r m e t a b o l i z e d b y t h e f o r m a t i o n of protocatechuic acid. I t is also to be c o n c l u d e d t h a t g u a i a c y l g l y c e r o l u n i t s c a r r y i n g ß - a r y l e t h e r l i n k a g e s , present i n s o f t w o o d l i g n i n , are c o n v e r t e d to v a n i l l i c acid v i a 4 - h y d r o x y - 3 - m e t h o x y p h e n y l p y r u v i c a c i d a n d v a n i l l i n . F u r t h e r more, c o n i f e r a l d e h y d e a n d f e r u l i c acid, f o r m e d f r o m p i n e a n d spruce l i g n i n s b y e n z y m i c reactions, are c o n v e r t e d to v a n i l l i c a c i d v i a v a n i l l i n . Summary The mechanism of the biogenesis of l i g n i n has intrigued l i g n i n chemists ever since the discovery of this complex material. The process of lignification is the transformation i n certain plants whereby the aromatic l i g n i n polymer is synthesized, u l t i m a t e l y f r o m C 0 2 , probably by w a y of intermediates related to carbohydrates. Lignification is but one illustration of the more general phenomenon of aromatization, i. e., the conversion by l i v i n g cells of non-aromatic precursors into compounds containing benzenoid-type rings. To elucidate the mechanism of the enzyme degradation of softwood l i g n i n b y w h i t e - r o t fungi, studies were conducted of the chemical properties of isolated pine and spruce lignins after decay by Polyporus versicolor, Polyporus hirsutus , Poria subacida J 247 and Ν 199, Fomes fomentarius , Fomes annosus, and Trametes pini. Zusammenfassung Biochemie des Lignins Der Mechanismus der Biogenese des Lignins interessierte Chemiker und Biologen seit der Entdeckung dieses komplexen Materials. Der Lignifizierungsprozeß stellt eine U m w a n d l u n g i n gewissen Pflanzen dar, wobei diese aromatische, polymere Verbindung — von K o h l e n d i o x y d ausgehend — über Zwischenstufen, die m i t Kohlenhydraten verwandt sind, synthetisiert w i r d . Die Lignifizierung ist n u r eines der Beispiele der allgemeinen Erscheinung der Aromatisierung, d. h. die durch lebende Zellen bewirkte U m w a n d l u n g nichtaromatischer Vorstufen zu Verbindungen, die benzolartige Ringe enthalten. U m den Mechanismus der enzymatischen U m w a n d l u n g von NadelholzL i g n i n durch Weißfäulepilze aufzuklären, w u r d e n die chemischen Eigenschaften von isoliertem K i e f e r n - u n d Fichten-Lignin nach dem A b b a u durch Polyporus versicolor , Polyporus hirsutus, Poria subacida J 247 u n d Ν 199, Fomes fomentarius, Fomes annosus u n d Trametes pini untersucht.

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F. F. Nord Résumé Biochimie de la lignine

Le mécanisme de la synthèse biologique des lignines intéresse les chimistes et les biologistes depuis la découverte de ces substances complexes. Le phénomène de lignification est la synthèse, dans certaines plantes, de polymères aromatiques à p a r t i r d'anhydride carbonique transformé par l'intermédiaire d'hydrates de carbone. L a lignification est u n exemple d u phénomène plus général de l'aromatisation (ou cyclisation), c'est à dire la conversion par les cellules vivantes de précurseurs non aromatiques en composés contenant des noyaux benzéniques. Pour expliquer le mécanisme de la dégradation enzymatique de la lignine de conifères par les champignons de la pourriture bianche, des études ont été réalisées sur les propriétés chimiques de lignines isolées à partir de p i n et de sapin après attaque de Polyporus versicolor, Polyporus hirsutus, Porta subacida J 247 et Ν 199, Fomes fomentarius, Fomes annosus et Trametes pini.

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Address of the author: Prof. F. F. N O R D Laboratory of Organic Chemistry and Enzymology, Fordham University, Bronx, Ν. Y. 10 458, U.S.A.

ü b e r d i e F u n k t i o n der P h e n o l o x y d a s e n holzabbauender Pilze V o n R E I N H A R D RÖSCH

I n s t i t u t für Holzbiologie und Holzschutz der Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft, Reinbek (Deutschland)

Phenoloxydasen sind i m gesamten Organismenreich w e i t verbreitet. E i n i g e a l l g e m e i n b e k a n n t e E r s c h e i n u n g e n w i e z. B . V e r f ä r b u n g e n b e i m Anschneiden von Äpfeln, K a r t o f f e l n u n d manchen Pilzfruchtkörpern oder auch — als B e i s p i e l aus d e m T i e r r e i c h — d i e E i n l a g e r u n g d u n k l e r P i g m e n t e i n d i e I n s e k t e n k u t i k u l a b e r u h e n auf der W i r k u n g solcher F e r m e n t e . D i e v i e l s e i t i g e n F u n k t i o n e n der P h e n o l o x y d a s e n p f l a n z l i c h e r O r g a n i s m e n s i n d n u r z u m T e i l a u f g e k l ä r t . So h a t die Frage, ob P h e n o l o x y d a s e n a m A t m u n g s s t o f f w e c h s e l d i r e k t b e t e i l i g t sind, b i s h e u t e k e i n e e n d g ü l t i g e B e a n t w o r t u n g gefunden. I m F o l g e n d e n s o l l m i t e i n e m U b e r b l i c k ü b e r neuere Ergebnisse u n d H y p o t h e s e n z u r F u n k t i o n der P h e n o l o x y d a s e n h o l z z e r s t ö r e n d e r P i l z e e i n T e i l g e b i e t aus diesem F r a g e n komplex behandelt werden. I d e n t i f i k a t i o n u n d Substratspezifität der Phenoloxydasen D i e u n k l a r e N o m e n k l a t u r der P h e n o l o x y d a s e n i n der ä l t e r e n L i t e r a t u r m a c h t es n o t w e n d i g , Laccase u n d Tyrosinase, die b e i d e n w i c h t i g sten F e r m e n t e aus dieser G r u p p e , nach i h r e r S u b s t r a t s p e z i f i t ä t e i n d e u t i g z u kennzeichnen. D i e i n F i g . 1 — 5 d a r g e s t e l l t e n R e a k t i o n e n dieser E n z y m e m i t einfachen p h e n o l i s c h e n V e r b i n d u n g e n s i n d als G r u n d l a g e n f ü r d i e m e i s t k o m p l i z i e r t e r e n e n z y m a t i s c h e n Prozesse b e i der E i n w i r k u n g der Pilze auf i h r e natürlichen Substrate zu betrachten. Laccase e r h i e l t i h r e n N a m e n n a c h i h r e m V o r k o m m e n i m L a t e x der ostasiatischen L a c k b ä u m e Rhus vernicifera u n d R. succedanea , da sie dessen phenolische V e r b i n d u n g e n z u e i n e m d u n k l e n L a c k o x y d i e r t . T y r o s i n a s e w u r d e nach der R e a k t i o n m i t der a r o m a t i s c h e n A m i n o säure L - ( - ) - T y r o s i n , e i n e m n a t ü r l i c h e n S u b s t r a t des E n z y m s , b e n a n n t . Diese R e a k t i o n f ü h r t ü b e r D i o x y p h e n y l a l a n i n ( D O P A ) z u D O P A C h i n o n , e i n e m Z w i s c h e n p r o d u k t der M e l a n i n - B i l d u n g (Fig. 1). N a c h d e n n e u e n i n t e r n a t i o n a l e n N o m e n k l a t u r - R e g e l n w i r d Laccase als p -

Meinhard Rösch

174

D i p h e n o h O g - O x y d o r e d u k t a s e g e g e n ü b e r T y r o s i n a s e als o - D i p h e n o l : 0 2 O x y d o r e d u k t a s e abgegrenzt. Diese B e z e i c h n u n g e n sagen aber ü b e r d i e w e i t e r e n , sich t e i l w e i s e ü b e r l a p p e n d e n S u b s t r a t b e r e i c h e der b e i d e n F e r m e n t e nichts aus. D i e A k t i v i t ä t der T y r o s i n a s e bes c h r ä n k t sich n i c h t n u r auf die O x y d a t i o n v o n o - D i p h e n o l e n z u d e n entsprechenden C h i n o n e n (Fig. 1 u. 4; o - D i p h e n o l o x y d a s e - oder „ C a t e c h o l a s e " - A k t i v i t ä t ) , v i e l m e h r k a t a l y s i e r t das F e r m e n t auch b e i M o n o phenolen die E i n f ü h r u n g einer zweiten H y d r o x y l g r u p p e i n orthoS t e l l u n g z u r b e r e i t s v o r h a n d e n e n (Fig. 1 u. 2; M o n o p h e n o l o x y d a s e oder „ C r e s o l a s e " - A k t i v i t ä t ) . F ü r d i e w e i t e r e n U m s e t z u n g e n des T y r o sins b e i der M e l a n i n b i l d u n g (Fig. 1) ist d i e C ^ - S e i t e n k e t t e m i t i h r e n

CH 2 -CH -COO Η CH 2 -CH-COOH CH 2 -CH- COO Η 1 JL I 1 1 NH 2 rp^ NH 2 NH 2

j

ujL

^ OH

ΝΪ^οη OH

Ty rosin

DOPA

^

ι i l

—Melanin

0

DOPA-Chinon

Fig. 1. Monophenoloxydase- und o-Diphenoloxydase-Aktivität der Tyrosinase m i t Tyrosin als Substrat.

„

Β OH

κ

OH

OH

Fig. 2. Monophenoloxydase-Aktivität der Tyrosinase m i t p - K r e s o l als Substrat.

ch3 0

C

OH

3

»3

Fig. 3. Monophenoloxydase-Aktivität der Laccase m i t p - K r e s o l als Substrat.

[I

V

OH

OH

^Y ο

0

Fig. 4. o-Diphenoloxydase-Aktivität von Tyrosinase u n d Laccase m i t Brenzcatechin als Substrat.

175

Über die F u n k t i o n der Phenoloxydasen holzabbauender Pilze

f u n k t i o n e l l e n G r u p p e n v o n B e d e u t u n g ; insbesondere e r m ö g l i c h t die A m i n o g r u p p e einen Ringschluß zu Indol-Derivaten, den G r u n d b a u s t e i n e n der f o l g e n d e n P o l y m e r i s a t i o n . D i e S u b s t r a t s p e z i f i t ä t der L a c case ist m i t der B e z e i c h n u n g des F e r m e n t e s als p - D i p h e n o l : 0 2 - O x y d o r e d u k t a s e i n zweifacher H i n s i c h t u n v o l l s t ä n d i g erfaßt. Laccase o x y d i e r t auch p - K r e s o l (Fig. 3; M o n o p h e n o l o x y d a s e - oder , , C r e s o l a s e " - A k t i v i t ä t ) u n d a n d e r e M o n o p h e n o l e ( G . FÀHRAEUS u n d H . LJUNGGREN, 1 9 6 1 ; G . F À H -

RAEUS, 1961). D i e R e a k t i o n s p r o d u k t e der „ C r e s o l a s e " - A k t i v i t ä t T y r o s i n a s e u n d Laccase (Fig. 2 u. 3) s i n d jedoch g r u n d s ä t z l i c h schieden

( G . FÀHRAEUS u n d

H . LJUNGGREN,

1961;

N . A . BURGES,

von ver-

1963),

da

die E i n f ü h r u n g einer z w e i t e n p h e n o l i s c h e n H y d r o x y l g r u p p e (Fig. 1 u. 2), f u n k t i o n e l l eine „ H y d r o x y l a s e " - A k t i v i t ä t , nach b i s h e r i g e n E r g e b n i s sen n u r der T y r o s i n a s e zuzusprechen ist. Laccase k a t a l y s i e r t a u ß e r d e m die O x y d a t i o n v o n o - D i p h e n o l e n (Fig. 4; o - D i p h e n o l o x y d a s e - oder , , C a t e c h o l a s e " - A k t i v i t ä t ) , w o b e i o - C h i n o n e als R e a k t i o n s p r o d u k t e f ü r d i e W i r k u n g v o n Laccase u n d T y r o s i n a s e i n gleicher Weise a n z u n e h m e n sind. P a r a - d i s u b s t i t u i e r t e B e n z o l d e r i v a t e w i e H y d r o c h i n o n u n d p - P h e n y l e n d i a m i n w e r d e n n u r v o n Laccase o x y d a t i v u m g e s e t z t (Fig. 5;

OH

0

OH

0

Fig. 5. p-Diphenoloxydase-Aktivität der Laccase m i t Hydrochinon als Substrat.

p - D i p h e n o l o x y d a s e - A k t i v i t ä t ) . Z u r U n t e r s c h e i d u n g der b e i d e n P h e n o l o x y d a s e n eignet sich n e b e n p - K r e s o l m i t verschieden g e f ä r b t e n R e a k t i o n s p r o d u k t e n besonders auch G u a j a c o l , d e r M o n o m e t h y l ä t h e r des Brenzcatechins. Dieses S u b s t r a t e r g i b t m i t Laccase d u n k e l r o t b r a u n e O x y d a t i o n s p r o d u k t e , w ä h r e n d es v o n T y r o s i n a s e entgegen der f r ü h e r geäußerten A u f f a s s u n g (R. RÖSCH, 1961) n i c h t umgesetzt w i r d . A u c h C o n i f e r y l a l k o h o l , e i n e r der G r u n d b a u s t e i n e des C o n i f e r e n - L i g n i n s , m i t G u a j a c o l k o n f i g u r a t i o n des K e r n e s u n d Cs-Seitenkette (Fig. 6) w i r d v o n T y r o s i n a s e n i c h t a n g e g r i f f e n (H. S. MASON u n d M . CRONYN, 1955), d ü r f t e aber z u d e n n a t ü r l i c h e n S u b s t r a t e n der Laccase i n v e r h o l z e n d e n P f l a n z e n z ä h l e n ( K . FREUDENBERG, J . HARKIN, M . REICHERT u n d

T . FUKUZUMI, 1958).

einhard R s c h

176

D i e O x y d a t i o n s p r o d u k t e , d i e u n t e r der W i r k u n g v o n P h e n o l o x y d a s e n a u f P h e n o l e oder aromatische A m i n e g e b i l d e t w e r d e n , n e i g e n m e i s t zur Polymerisation. H i e r b e i können die f u n k t i o n e l l e n G r u p p e n v o n S e i t e n k e t t e n besondere B e d e u t u n g h a b e n , w i e a m B e i s p i e l des T y r o s i n T y r o s i n a s e - S y s t e m s gezeigt w u r d e . D i e s g i l t auch f ü r d e n C o n i f e r y l a l k o h o l u n d die a n d e r e n m o n o m e r e n L i g n i n b a u s t e i n e . Neben Phenoloxydasen findet sich besonders bei Weißfäulepilzen auch Peroxydase. Das Ferment ist eisenhaltig i m Gegensatz zu den kupferhaltigen Phenoloxydasen, u n d bei den von Peroxydase katalysierten Oxydationen fungiert als Elektronenacceptor Wasserstoffperoxyd anstelle von Sauerstoff. Da Peroxydase i n ihrer Spezifität gegenüber phenolischen Substraten w e i t gehend m i t Laccase übereinstimmt, müssen auch die Funktionen dieses Fermentes vergleichsweise behandelt werden. I m folgenden werden die drei Enzyme zusammenfassend als Oxydasen bezeichnet. Die i n Fig. 3 als Oxydationsprodukt von p - K r e s o l unter der W i r k u n g von Laccase dargestellte Verbindung wurde bisher zwar n u r bei der durch Peroxydase katalysierten Reaktion als Hauptprodukt nachgewiesen, es ist jedoch anzunehmen, daß die gleichartig gelblichweißen Niederschläge bei der Laccase-Reaktion entsprechend zusammengesetzt sind (G. FÄHRAEUS und H. L J U N G GREN, 1 9 6 1 ; N . A . BURGES, 1 9 6 3 ) .

B a v e n d a m m - R e a k t i o n und L i g n i n - A b b a u B e i Untersuchungen über die W i r k u n g v o n Gerbstoffen auf holzzerstörende P i l z e f a n d W . BAVENDAMM (1928), daß d i e g e p r ü f t e n W e i ß fäulepilze — m i t einigen Ausnahmen — durch Ausscheidung v o n O x y d a s e n eine V e r f ä r b u n g der m i t T a n n i n , G a l l u s s ä u r e oder a n d e r e n phenolischen S u b s t a n z e n v e r s e t z t e n A g a r n ä h r b ö d e n b e w i r k t e n , w ä h r e n d die B r a u n f ä u l e p i l z e — ebenso m i t e i n i g e n A u s n a h m e n — k e i n e R e a k t i o n zeigten. Das V e r f a h r e n ist als „ B a v e n d a m m - R e a k t i o n " i n die L i t e r a t u r e i n g e g a n g e n u n d b i e t e t e i n w e r t v o l l e s diagnostisches H i l f s m i t t e l z u r U n t e r s c h e i d u n g der E r r e g e r dieser F ä u l e t y p e n . B e i der P r ü f u n g z a h l r e i c h e r w e i t e r e r P i l z e d u r c h andere A u t o r e n (R. W . DAVIDSON, W . A . CAMPBELL u n d D . J . BLAISDELL,

1 9 3 8 ; J . BOIDIN, 1951) f a n d e n

sich

jedoch w e i t e r e A b w e i c h u n g e n v o n der a l l g e m e i n e n Regel. W ä h r e n d b e i B a s i d i o m y c e t e n die p o s i t i v e B a v e n d a m m - R e a k t i o n als H i n w e i s a u f die B e f ä h i g u n g z u m L i g n i n a b b a u z u w e r t e n ist, g i l t diese Beziehung zwischen Oxydasen-Ausscheidung u n d Fäuletypus nicht a l l g e m e i n auch f ü r A s c o m y c e t e n u n d F u n g i i m p e r f e c t i . D i e M e l a n i n b i l d u n g i m M y c e l der B l ä u e p i l z e l ä ß t a u f T y r o s i n a s e A k t i v i t ä t schließen, d i e jedoch i n t r a c e l l u l ä r l o k a l i s i e r t b l e i b t . B e i e i n i g e n A r t e n k o n n t e n aber auch e x t r a c e l l u l ä r e O x y d a s e n nachgewiesen w e r d e n ( R . R Ö S C H , 1 9 6 5 a; G . S E E H A N N , 1 9 6 5 ; E . S P R E C H E R , 1 9 6 5 ) . N a c h n e u e r e n U n t e r s u c h u n g e n d ü r f t e n einige B l ä u e p i l z e z w a r e i n e n g e r i n g e n A b b a u der K o h l e n h y d r a t e des Holzes b e w i r k e n (H. v. PECHMANN,

Über die F u n k t i o n der Phenoloxydasen holzabbauender P i l z e 1 7 7 E . G R A E S S L E , u n d A . W U T Z , 1 9 6 4 ; K . S E I F E R T , 1 9 6 4 ) , aber die O x y d a s e n A u s s c h e i d u n g ist b e i dieser P i l z g r u p p e m i t S i c h e r h e i t k e i n A n z e i c h e n f ü r e i n e n A n g r i f f a u f das L i g n i n .

N o c h n i c h t v ö l l i g g e k l ä r t s i n d die V e r h ä l t n i s s e b e i d e n M o d e r f ä u l e p i l z e n , v o n denen e i n i g e i m f o r t g e s c h r i t t e n e n F ä u l e s t a d i u m das L i g n i n i n g e r i n g e m A u s m a ß a n g r e i f e n (J. G. SAVORY u n d L . C. PINION, 1958; W . LIESE, 1963). Ü b e r das V o r k o m m e n v o n O x y d a s e n b e i E r r e g e r n dieses m o r p h o l o g i s c h k l a r a b z u g r e n z e n d e n F ä u l e t y p u s l i e g e n aber k a u m Untersuchungsergebnisse v o r . W e n n m a n v o n d e n noch z u b e h a n d e l n d e n A u s n a h m e n absieht, e r g i b t sich f ü r W e i ß f ä u l e - u n d B r a u n f ä u l e p i l z e e i n z i e m l i c h k l a r e s V e r t e i l u n g s m u s t e r der O x y d a s e n i n B e z i e h u n g z u m F ä u l e t y p u s . V o r a u s setzung h i e r f ü r ist aber, daß n e b e n der m o r p h o l o g i s c h e n E r s c h e i n u n g s f o r m u n d d e m chemischen A b l a u f der H o l z z e r s t ö r u n g auch d i e systematische S t e l l u n g dieser P i l z e i n s o f e r n b e r ü c k s i c h t i g t w i r d , als typische Weißfäulen u n d Braunfäulen n u r v o n Basidiomyceten verursacht w e r den. D i e erste k l a r e B e s c h r e i b u n g d e r b e i d e n F ä u l e t y p e n ( K o r r o s i o n s f ä u l e u n d D e s t r u k t i o n s f ä u l e ) nach d e m chemischen A b l a u f u n d d e n m o r p h o l o g i s c h e n K e n n z e i c h e n der H o l z z e r s t ö r u n g gab R . F A L C K ( 1 9 2 6 / 2 7 ) an Beispielen v o n Basidiomyceten. Die enzymatischen Untersuchungen v o n W . B A V E N D A M M ( 1 9 2 8 ) bezogen sich ebenfalls v o r w i e g e n d a u f P i l z e aus dieser Klasse, u n d die z u r T y p e n k e n n z e i c h n u n g der e n z y m a t i s c h e n Holzzerstörung durch Pilze erforderliche taxonomische Abgrenzung w u r d e auch i n n e u e r e n A r b e i t e n b e t o n t ( R . R Ö S C H , 1 9 6 1 ; W . L I E S E , 1 9 6 3 ) . Z u s a m m e n f a s s e n d l ä ß t sich ü b e r die V e r t e i l u n g der O x y d a s e n b e i h o l z z e r s t ö r e n d e n B a s i d i o m y c e t e n Folgendes sagen: Peroxydase w i r d n u r v o n W e i ß f ä u l e p i l z e n g e b i l d e t ; das F e r m e n t w i r d v o m M y c e l ausgeschieden u n d b e w i r k t w i e e x t r a c e l l u l ä r e Laccase d i e O x y d a t i o n a d ä q u a t e r phenolischer V e r b i n d u n g e n . T y r o s i n a s e f i n d e t sich ausschließlich als E n d o e n z y m b e i verschiedenen A r t e n v o n W e i ß - u n d Braunfäulepilzen. Die von T. H I G U C H I (1953) vertretene Auffassung, daß auch eine e x t r a c e l l u l ä r e T y r o s i n a s e a n der B a v e n d a m m R e a k t i o n t e i l h a b e n k ö n n t e , w u r d e v o n H . LYR (1958 a) m i t verbesserter Methodik widerlegt. Extracelluläre L a c c a s e t r i t t nur bei Weißfäulepilzen auf u n d f ü h r t w i e Peroxydase zu positiven Befunden bei der B a v e n d a m m - R e a k t i o n . Laccase f i n d e t sich aber auch als E n d o f e r ment

bei

Weißfäulepilzen

(W. FLAIG

und

K.HAIDER,

1961;

R . RÖSCH,

B e i B r a u n f ä u l e p i l z e n w u r d e außer T y r o s i n a s e eine w e i t e r e i n t r a c e l l u l ä r e O x y d a s e gefunden, d i e i n i h r e r S u b s t r a t s p e z i f i t ä t m i t Laccase ü b e r e i n s t i m m t (R. R Ö S C H , 1 9 6 1 , 1 9 6 2 , 1 9 6 3 ) . 1961).

Die positiven A u s n a h m e n der B a v e n d a m m - R e a k t i o n m i t B r a u n f ä u l e p i l z e n b e r u h e n w a h r s c h e i n l i c h insgesamt a u f der F r e i s e t z u n g einer der b e i d e n i n t r a c e l l u l ä r e n O x y d a s e n d u r c h A u t o l y s e oder M y c e l v e r 12 M a t e r i a l u n d O r g a n i s m e n , B e i h e f t 1

einhard Rösch

178

l e t z u n g , w ä h r e n d die n e g a t i v e n B e f u n d e b e i W e i ß f ä u l e p i l z e n a u f d e n p h y s i o l o g i s c h e n Z u s t a n d des M y c e l s z u r ü c k z u f ü h r e n sein d ü r f t e n , da z. B . d i e B i l d u n g der Laccase b e i verschiedenen P i l z e n w e i t g e h e n d v o n d e n K u l t u r b e d i n g u n g e n a b h ä n g i g i s t (H. LYR, 1958 b ; T . K . KIRK u n d A . K E L M A N , 1 9 6 5 ) . D i e insgesamt b e i W e i ß f ä u l e p i l z e n recht s t a r k e K o r r e l a t i o n z w i s c h e n der A u s s c h e i d u n g v o n Laccase oder P e r o x y d a s e u n d der B e f ä h i g u n g z u m L i g n i n - A b b a u f ü h r t e z u d e m n a h e l i e g e n d e n Schluß, daß diesen b e i d e n O x y d a s e n eine „ L i g n i n a s e " - F u n k t i o n z u k o m m e , daß sie also d i r e k t d e n o x y d a t i v e n A b b a u des L i g n i n s k a t a l y sieren w ü r d e n . D i e Versuche verschiedener A u t o r e n , isoliertes L i g n i n m i t m e h r oder w e n i g e r g e r e i n i g t e n L a c c a s e - P r ä p a r a t e n abzubauen, f ü h r t e n j e d o c h z u n e g a t i v e n oder w e n i g ü b e r z e u g e n d e n Ergebnissen. D e r b e i solchen U n t e r s u c h u n g e n m a n o m e t r i s c h e r m i t t e l t e S a u e r s t o f f v e r b r a u c h l ä ß t sich m i t e i n e m o x y d a t i v e n A n g r i f f a u f p e r i p h e r e , w e n i g „ v e r n e t z t e " u n d d a m i t r e a k t i v e G r u p p e n des L i g n i n s e r k l ä r e n . Ebenso ist eventuell der „ L i g n i n s c h w u n d " bei Braunfäule u n d Moderfäule zu verstehen, w e n n m a n d i e M ö g l i c h k e i t der a u t o l y t i s c h e n F r e i s e t z u n g i n t r a c e l l u l ä r e r O x y d a s e n i n B e t r a c h t zieht. H . ISHIKAWA u n d Τ . OKI (1964) berichteten über einen geringfügigen L i g n i n - A b b a u durch Peroxydase, d e r ebenfalls h i e r e i n z u r e i h e n w ä r e ; j e d o c h k a n n auch das F u n k t i o n s s p e k t r u m der P e r o x y d a s e b r e i t e r sein als das der P h e n o l oxydasen.

F u n k t i o n der Oxydasen von Holzpflanzen b e i m A u f b a u des Lignins K.

FREUDENBERG

und

Mitarbeiter

(K.

FREUDENBERG,

J.

HARKIN,

M.

REICHERT u n d T . FUKUZUMI, 1958) l i e ß e n b e i i h r e n V e r s u c h e n z u r D a r s t e l l u n g des sog. k ü n s t l i c h e n L i g n i n s P i l z p h e n o l o x y d a s e oder P e r o x y d a s e a u f C o n i f e r y l a l k o h o l e i n w i r k e n . D i e d u r c h enzymatische D e h y d r i e r u n g a n d e n p h e n o l i s c h e n H y d r o x y l g r u p p e n (Fig. 6) e i n g e l e i t e t e

Fig. 6. Coniferylalkohol u n d seine mesomeren Radikalformen nach Dehydrierung am Phenolhydroxyl.

Über die F u n k t i o n der Phenoloxydasen holzabbauender Pilze

179

P o l y m e r i s a t i o n f ü h r t ü b e r o l i g o m e r e Z w i s c h e n s t u f e n z u e i n e m hochp o l y m e r e n E n d p r o d u k t , das i n seinen Eigenschaften d e m n a t ü r l i c h e n L i g n i n d e r N a d e l h ö l z e r v e r w a n d t ist. D a P e r o x y d a s e u n d Laccase auch i m k a m b i u m n a h e n G e w e b e v e r h o l z e n d e r P f l a n z e n nachgewiesen w u r d e n (T. HIGUCHI,

1957; H . LYR, 1958; K .

FREUDENBERG, J . H A R K I N , M .

REI-

u n d T . F U K U Z U M I , 1 9 5 8 ; H . R Ö B L I T Z , 1 9 6 1 ) , ist a n z u n e h m e n , daß diese O x y d a s e n a m L i g n i f i z i e r u n g s p r o z e ß b e t e i l i g t sind. A u f d e m h i s t o chemischen N a c h w e i s v o n C y t o c h r o m - O x y d a s e i n d e n v e r h o l z e n d e n G e w e b e n v o n L a u b - u n d N a d e l h ö l z e r n b e g r ü n d e t e n H . RÖBLITZ u n d D . R Ö B L I T Z ( 1 9 6 4 ) die H y p o t h e s e , daß diesem F e r m e n t d i e H a u p t f u n k t i o n b e i der D e h y d r i e r u n g w ä h r e n d der L i g n i f i z i e r u n g z u k o m m e . Es b l e i b t jedoch z u b e d e n k e n , daß d i e h o h e E n z y m - A k t i v i t ä t i n der V e r holzungszone u n d das V e r s c h w i n d e n d e r A k t i v i t ä t dieses F e r m e n t e s i m v o l l s t ä n d i g l i g n i f i z i e r t e n G e w e b e auch i m Z u s a m m e n h a n g m i t d e m r e s p i r a t o r i s c h e n S t o f f w e c h s e l stehen k ö n n e n . CHERT

I n V e r b i n d u n g m i t der O x y d a s e n - F u n k t i o n b e i m L i g n i n - A u f b a u s o l l h i e r noch h e r v o r g e h o b e n w e r d e n , daß d i e D e h y d r i e r u n g a m P h e n o l h y d r o x y l der L i g n i n b a u s t e i n e z u sehr r e a k t i o n s f ä h i g e n R a d i k a l e n f ü h r t (Fig. 6), w o b e i die m i t d e n D o p p e l b i n d u n g e n des a r o m a t i s c h e n R e r n e s k o n j u g i e r t e D o p p e l b i n d u n g der Cs-Seitenkette eine w e s e n t l i c h e R o l l e spielt. D i e B e d e u t u n g f u n k t i o n e l l e r G r u p p e n der S e i t e n k e t t e f ü r d i e P o l y m e r i s a t i o n d e r Co-Cs-Einheiten w u r d e b e r e i t s i n V e r b i n d u n g m i t der M e l a n i n - B i l d u n g aus T y r o s i n b e t o n t .

I n d i r e k t e F u n k t i o n der Pilz-Oxydasen beim A b b a u des Lignins Laccase u n d P e r o x y d a s e k ö n n e n nach a l l e n b i s h e r i g e n Ergebnissen k e i n e t i e f g r e i f e n d e A u f s p a l t u n g des m a k r o m o l e k u l a r e n L i g n i n s b e w i r k e n . A l s Z w i s c h e n p r o d u k t e des L i g n i n - A b b a u e s d u r c h W e i ß f ä u l e p i l z e w u r d e n aber m e h r f a c h m o n o m e r e u n d auch d i m e r e phenolische V e r bindungen

nachgewiesen

( H . ISHIKAWA, W . J . SCHUBERT u n d

F . F . NORD,

R . H A I D E R , S. L I M u n d W . F L A I G , 1 9 6 4 ) . Diese P i l z e müssen also ü b e r w e i t e r e F e r m e n t s y s t e m e v e r f ü g e n , w e l c h e insbesondere die P h e n o l ä t h e r b i n d u n g e n zwischen R e r n e n u n d S e i t e n k e t t e n der L i g n i n b a u steine s p a l t e n k ö n n e n — u n d e v e n t u e l l auch Ä t h e r b i n d u n g e n u n d d i r e k t e C - C - B i n d u n g e n zwischen d e n R e r n e n selbst. Ü b e r solche E n z y m e l i e g e n b i s h e r k a u m Untersuchungsergebnisse v o r . 1963;

Der bakterielle A b b a u dimerer u n d monomerer aromatischer V e r bindungen zu aliphatischen Dicarbonsäuren m i t H i l f e ringspaltender O x y d a s e n ist b e k a n n t . W . F L A I G u n d R . H A I D E R ( 1 9 6 1 ) k o n n t e n e i n solches O x y d a s e n s y s t e m , das n i c h t m i t P h e n o l o x y d a s e n oder P e r o x y d a s e i d e n t i s c h ist, b e i W e i ß f ä u l e p i l z e n nachweisen. D a auch der S e i t e n k e t t e n - A b b a u u n d d i e D e m e t h y l i e r u n g der M e t h o x y l g r u p p e n d e r L i g n i n -

12*

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einhard Rösch

b a u s t e i n e n i c h t als F u n k t i o n e n der P h e n o l o x y d a s e n z u b e t r a c h t e n s i n d ( K . H A I D E R , S. L I M u n d W . F L A I G , 1 9 6 4 ) , ergeben sich also b i s h e r k e i n e sicheren A n h a l t s p u n k t e f ü r die d i r e k t e B e t e i l i g u n g dieser F e r m e n t e a n i r g e n d e i n e m T e i l s c h r i t t des L i g n i n - A b b a u e s . A u f eine i n d i r e k t e F u n k t i o n der O x y d a s e n h a t aber b e r e i t s O. G A D D ( 1 9 5 7 ) h i n g e w i e s e n . N i e d e r m o l e k u l a r e phenolische V e r b i n d u n g e n w i r k e n i. a. o b e r h a l b bes t i m m t e r Grenzkonzentrationen toxisch auf Mikroorganismen. Bei örtl i c h e r oder z e i t l i c h e r A k k u m u l a t i o n phenolischer S p a l t p r o d u k t e w ä h r e n d des L i g n i n - A b b a u e s k ö n n e n d i e e x t r a c e l l u l ä r e n O x y d a s e n der Weißfäulepilze durch D e h y d r i e r u n g m i t nachfolgender Polymerisation e n t g i f t e n d auf diese P h e n o l e w i r k e n . D a jedoch auch d i e O x y d a t i o n s p r o d u k t e phenolischer V e r b i n d u n g e n noch t o x i s c h sein k ö n n e n (H. LYR, 1 9 6 5 ) , f e h l e n f ü r d i e S i c h e r u n g dieser H y p o t h e s e noch die e x p e r i m e n t e l l e n G r u n d l a g e n v e r g l e i c h e n d e r U n t e r s u c h u n g e n ü b e r die T o x i z i t ä t d e r m o n o m e r e n phenolischen L i g n i n s p a l t p r o d u k t e u n d der Z w i s c h e n u n d E n d p r o d u k t e d e r D e h y d r i e r u n g s p o l y m e r i s a t i o n . N a c h K . HAIDER, S. L I M u n d W . F L A I G ( 1 9 6 4 ) k ö n n e n W e i ß f ä u l e p i l z e P o l y m e r i s a t e , die d u r c h E i n w i r k u n g v o n Laccase auf phenolische L i g n i n s p a l t p r o d u k t e oder M o d e l l s u b s t a n z e n g e w o n n e n w u r d e n , w i e d e r abbauen. D e r O x y d a s e n - A k t i v i t ä t b e i m A u f b a u solcher P o l y m e r i s a t e w ä r e eine A k t i v i t ä t v o n „Phenolätherasen" u n d eventuell weiterer Enzymsysteme für den A b b a u dieser I n t e r m e d i ä r p r o d u k t e entsprechend d e m L i g n i n - A b b a u gegenüberzustellen.

F u n k t i o n der Pilz-Oxydasen bei der Entgiftung von Kernholztoxinen Ü b e r S t r u k t u r u n d W i r k u n g der K e r n h o l z t o x i n e v o n N a d e l - u n d Laubhölzern w u r d e i n den letzten Jahren i n zahlreichen Veröffentl i c h u n g e n b e r i c h t e t . E i n e b e t r ä c h t l i c h e A n z a h l dieser V e r b i n d u n g e n zeigt phenolischen C h a r a k t e r oder T r o p o l o n - S t r u k t u r . D i e H y d r o x y l gruppen v o n Tropolonen d ü r f t e n f u n k t i o n e l l den phenolischen H y d r o x y l g r u p p e n gleichzusetzen sein. H . L Y R ( 1 9 6 2 ) h a t s o w o h l f ü r Laccase u n d P e r o x y d a s e als auch f ü r T y r o s i n a s e i n v i t r o eine e n t g i f t e n d e W i r k u n g a u f C o n i f e r e n - K e r n h o l z t o x i n e nachgewiesen u n d folgerte, daß eine solche enzymatische E n t g i f t u n g auch i n v i v o e r f o l g e n k ö n n t e . F ü r d i e W i r k u n g s w e i s e der i n t r a c e l l u l ä r e n T y r o s i n a s e s t e l l t e LYR eine E n t g i f t u n g s f u n k t i o n w ä h r e n d der P e r m e a t i o n der T o x i n e d u r c h d i e H y p h e n w ä n d e z u r D i s kussion. Jedoch ist auch eine l o k a l b e s c h r ä n k t e A u t o l y s e der M y c e l i e n u n t e r der T o x i n e i n w i r k u n g m ö g l i c h , w o b e i die i n t r a c e l l u l ä r e n F e r m e n t e freigesetzt w e r d e n . A u f diese oder j e n e Weise k ö n n t e n auch B r a u n f ä u l e p i l z e d u r c h freigesetzte T y r o s i n a s e oder d i e laccaseartige,

Über die F u n k t i o n der Phenoloxydasen holzabbauender P i l z e 1 8 1 i n t r a c e l l u l ä r e P h e n o l o x y d a s e (R. RÖSCH, 1961, 1962, 1963) eine D e t o x i f i k a t i o n v o n Kernholzinhaltsstoffen bewirken. Nach H. L Y R ( 1 9 6 3 ) verf ü g e n fast a l l e a k t i v e n K e r n h o l z z e r s t ö r e r z u m i n d e s t ü b e r eine der b e i d e n P h e n o l o x y d a s e n oder ü b e r P e r o x y d a s e . E i n A u s n a h m e f a l l k o n n t e m i t d e m N a c h w e i s v o n T y r o s i n a s e i m M y c e l e x t r a k t v o n Polyporus sulfureus B u l l , ex F r . a u f g e k l ä r t w e r d e n (R. RÖSCH, 1965 b). D e r P i l z zerstört auch das R o b i n i e n k e r n h o l z (J.LIESE, 1952; Z. IGMANDY, 1 9 6 3 ) , das d u r c h d e n G e h a l t a n phenolischen I n h a l t s s t o f f e n als besonders d a u e r h a f t b e k a n n t i s t ( K . FREUDENBERG u n d L . HARTMANN, 1953; G. K E R N E R , 1 9 6 3 ) . A u c h f ü r die K e r n h o l z t o x i n e d e r L a u b h ö l z e r d ü r f t e also e i n e n z y m a t i s c h - o x y d a t i v e r E n t g i f t u n g s m e c h a n i s m u s a n z u n e h m e n sein.

V e r b r e i t u n g und allgemeine F u n k t i o n der Phenoloxydasen F ü r die folgende, k u r z e Ü b e r s i c h t ü b e r V e r b r e i t u n g u n d W i r k u n g s weise der P h e n o l o x y d a s e n b e i a n d e r e n O r g a n i s m e n g r u p p e n m u ß a u f A n g a b e n der u m f a n g r e i c h e n L i t e r a t u r v e r z i c h t e t w e r d e n . Z a h l r e i c h e pflanzenpathogene Mikroorganismen produzieren Phenoloxydasen, u n d die b e f a l l e n e n h ö h e r e n P f l a n z e n r e a g i e r e n h ä u f i g a u f die I n f e k t i o n m i t einer S t e i g e r u n g i h r e r eigenen P h e n o l o x y d a s e n - A k t i v i t ä t . P h e n o l o x y d a s e n d ü r f t e n auch a n der B i l d u n g verschiedener, a n t i b i o t i s c h w i r k samer Stoffe b e t e i l i g t sein, insbesondere w e n n diese C h i n o n - T e i l s t r u k t u r e n aufweisen. D i e Phenoloxydasen rindenzerstörender Pilze k ö n n t e n ebenso e n t g i f t e n d a u f phenolische I n h a l t s s t o f f e w i r k e n w i e d i e j e n i g e n der H o l z z e r s t ö r e r . D i e m e i s t e n streuzersetzenden B a s i d i o m y c e t e n s i n d zum L i g n i n - A b b a u befähigt u n d bilden extracelluläre Oxydasen, w ä h r e n d n u r w e n i g e M y k o r r h i z a - P i l z e eine p o s i t i v e B a v e n d a m m - R e a k t i o n zeigen. I n h ö h e r e n Pflanzen k ö n n e n P h e n o l o x y d a s e n außer a n der L i g n i f i z i e r u n g auch a n der B i l d u n g v o n T a n n i n e n u n d v o n K e r n h o l z toxinen wie Tropolonen und mehrkernigen Chinonen mitwirken. E i n allgemeines P r i n z i p der O x y d a s e n w i r k u n g l ä ß t sich aus der V i e l seitigkeit der F u n k t i o n e n unter folgender Voraussetzung ableiten: W e n n m a n v o n der A g g r e s s i v i t ä t der p a t h o g e n e n O r g a n i s m e n absieht u n d d i e W i r t s o r g a n i s m e n n u r als d e r e n N ä h r s u b s t r a t betrachtet, d a n n besteht die F u n k t i o n d e r O x y d a s e n f ü r p a t h o g e n e u n d n i c h t p a t h o g e n e F o r m e n i n einer S c h u t z w i r k u n g gegenüber U m w e l t e i n f l ü s s e n , w o b e i noch zahlreiche andere physiologische F a k t o r e n d i e g r a d u e l l e A b s t u f u n g v o n V i r u l e n z b z w . Resistenz beeinflussen. V o n d e n verschiedenen M ö g l i c h k e i t e n der O x y d a s e n w i r k u n g i n d e n B e z i e h u n g e n z w i s c h e n W i r t s pflanzen u n d P a r a s i t e n sollen h i e r n u r e i n i g e b e h a n d e l t w e r d e n . So k ö n n e n z. B . die O x y d a s e n des P a r a s i t e n eine E n t g i f t u n g der T o x i n e des W i r t e s b e w i r k e n . W i e i m F a l l e der K e r n h o l z t o x i n - E n t g i f t u n g d u r c h bolzzerstörende P i l z e s i n d also h i e r die O x y d a t i o n s p r o d u k t e n i c h t oder

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w e n i g e r t o x i s c h als die phenolischen Ausgangssubstanzen. O x y d a s e n k ö n n e n aber auch k ö r p e r e i g e n e , phenolische V e r b i n d u n g e n z u S u b s t a n zen umsetzen, die a u f d e n P a r t n e r t o x i s c h w i r k e n , w o b e i die O x y d a t i o n s p r o d u k t e s t ä r k e r t o x i s c h s i n d als die Ausgangssubstanzen. Dies g i l t f ü r a n t i b i o t i s c h w i r k s a m e Stoffe u n d T o x i n e m i t c h i n o i d e n S t r u k t u r e n . A u c h d i e L i g n i f i z i e r u n g u n t e r M i t w i r k u n g d e r O x y d a s e n k a n n als eine S c h u t z f u n k t i o n b e t r a c h t e t w e r d e n , da das L i g n i n d e m Pflanzengewebe n i c h t n u r eine e r h ö h t e mechanische W i d e r s t a n d s k r a f t v e r l e i h t , s o n d e r n auch d i e Resistenz gegenüber m i k r o b i e l l e n A n g r i f f e n i m V e r g l e i c h m i t u n v e r h o l z t e m G e w e b e steigert. Schließlich m u ß auch die M ö g l i c h k e i t i n B e t r a c h t gezogen w e r d e n , daß d i e O x y d a s e n des einen P a r t n e r s phenolische Substanzen des a n d e r e n z u t o x i s c h w i r k s a m e n E n d p r o d u k ten oxydieren. D a die toxische W i r k s a m k e i t m a n c h e r Pflanzeninhaltsstoffe auch i m t o t e n G e w e b e e r h a l t e n b l e i b t , ist eine B e f ä h i g u n g z u r e n z y m a t i s c h e n T o x i n e n t g i f t u n g auch f ü r S a p r o p h y t e n a n z u n e h m e n . B e i s y m b i o n t i s c h e n F o r m e n w i e M y k o r r h i z a - P i l z e n k ö n n t e jedoch e i n a k t i v e s , e x t r a c e l l u läres O x y d a s e n - S y s t e m d i e S y m b i o s e s t a r k b e e i n t r ä c h t i g e n .

Zusammenfassung Phenoloxydasen sind multifunktionelle Enzyme, deren Wirkungsbereich n u r teilweise aufgeklärt ist. Ihre Beteiligung am Atmungsstoffwechsel ist umstritten. Peroxydase u n d extracelluläre Phenoloxydasen m i t positiver Bavendamm-Reaktion sind kennzeichnend für Weißfäulepilze, jedoch konnte bisher eine Beteiligung dieser Ektoenzyme am Ligninabbau nicht eindeutig nachgewiesen werden. Umgekehrt b e w i r k e n diese Oxydasen aber beim A u f bau des sog. künstlichen Lignins eine Dehydrierungspolymerisation der Ligninbausteine. I h r e Beteiligung an der Lignifizierung i n vivo ist anzunehmen. Übereinstimmend m i t dieser F u n k t i o n beim Ligninaufbau können die Oxydasen beim Ligninabbau die durch andere Fermentsysteme freigesetzten toxischen Ligninspaltprodukte durch Dehydrierungspolymerisation entgiften. Die Entgiftung von Kernholztoxinen durch die extracellulären Oxydasen der Weißfäulepilze u n d die Möglichkeiten der Detoxifikation durch die intracellulären Phenoloxydasen der Braunfäulepilze sowie die Verbreitung und F u n k t i o n von Phenoloxydasen bei anderen Organismengruppen werden diskutiert.

Summary On the function of the phenol oxydases of wood-rotting fungi Phenol oxidases have a widespread field of functions which is elucidated to some extent only. Their participation i n the respiratory metabolism is being disputed. Peroxidase and extracellular phenol oxidases w i t h positive Bavendamm reaction are significant of w h i t e rot fungi, but there exists still no unequivocal proof for a participation of these ectoenzymes i n l i g n i n

Über die F u n k t i o n der Phenoloxydasen holzabbauender P i l z e 1 8 3 decomposition. Vice versa, these oxidases cause dehydrogenation followed by polymerization of l i g n i n b u i l d i n g stones i n the synthesis of so-called artificial lignin. I t may be assumed that these enzymes participate also i n the process of lignification i n vivo. I n the degradation of lignin, the oxidases may detoxify as w e l l by dehydrogenation and polymerization the toxic cleavage products liberated by other enzymes. Detoxification of heartwood toxins by action of extracellular oxidases of w h i t e - r o t fungi and the possibilities of detoxification by intracellular phenol oxidases of b r o w n - r o t fungi, as w e l l as the distribution and function of phenol oxidases i n other groups of organisms are made subject of discussion.

Résumé Sur la fonction des phénoloxydases des champignons lignivores Les phénoloxydases sont des enzymes multifonctionnels dont la sphère d'action n'est élucidée qu'en partie. Leur participation au métabolisme respiratoire est controversée. Peroxydase et phénoloxydases extracellulaires à réactions Bavendamm positives sont caractéristiques des champignons p r o duisant une pourriture bianche, cependant une participation de ces enzymes extracellulaires à la dégradation de la lignine jusqu'à présent n'a pas p u étre confirmée. Vice versa, dans la biosynthèse de la dite lignine artificielle, la déhydrogénation, suivie de la polymérisation, se fait par l'activité de ces oxydases. L e u r participation au processus de la lignification i n vivo est vraisemblable. Conformément à leurs fonctions dans la composition de la lignine, les oxydases sont également actives dans la dégradation, étant donné leur capacité de désintoxiquer par déhydrogenation-polymérisation ce que d'autres systèmes d'enzymes ont libéré de produits toxiques de fission de la lignine. L a détoxification des toxiques d u bois de coeur par les oxydases extracellulaires de champignons produisant la pourriture bianche, les possibilités d'une détoxification par les phénoloxydases intracellulaires de champignons de pourriture brune, ainsi que présence et fonction de phénoloxydases en d'autres groupes d'organismes, tout cela fait l'object de discussions.

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I n s t i t u t f ü r Holzbiologie u n d Holzschutz der Bundesforschungsanstalt f ü r Forst- u n d Holzwirtschaft, 2057 Reinbek, Schloß, Bundesrepublik Deutschland

L i g n o l y t i c A c t i v i t y of W h i t e - R o t F u n g i By

ROMAN

SOPKO

State Forest Products Research Institute, Bratislava (Czechoslovakia)

Introduction U n t i l recent t i m e s t h e i n v e s t i g a t i o n of t h e process of w o o d l i g n i n d e c o m p o s i t i o n b y e n z y m a t i c a c t i o n of w h i t e - r o t f u n g i w a s c a r r i e d o u t b y a n a l y t i c a l d e t e r m i n a t i o n of t h e c o m p o s i t i o n of n o n - d e c a y e d a n d decayed w o o d . T h e r e w e r e d e t e r m i n e d t h e decrease of w e i g h t of i n d i v i d u a l c o m p o n e n t s of w o o d , t h e losses of m e t h o x y l groups, changes i n the v o l u m e w e i g h t and other physical and mechanical properties. P r a c t i c a l l y o n l y a f t e r t h e Second W o r l d W a r t h e r a p i d d e v e l o p m e n t of n e w , q u i c k e r a n d m o r e sensitive a n a l y t i c a l methods, e.g. c h r o m a t o g r a p h y , electrophoresis etc. a l l o w e d to i n v e s t i g a t e t h i s v e r y i m p o r t a n t process f r o m t h e a n a l y t i c a l p o i n t of v i e w . B y h e l p of these m e t h o d s i t w a s m a d e possible to observe t h e m e c h a n i s m of l i g n i n d e c o m p o s i t i o n a n d its d y n a m i c s . I n t h i s research f i e l d m a n y i n v e s t i g a t i o n s w e r e c a r r i e d out, w h i c h p r i m a r i l y d e a l t w i t h t h e d e c o m p o s i t i o n of coniferous l i g n i n . T h e causes f o r research of w h i t e - r o t o n coniferous a n d h a r d w o o d t r e e species r e s u l t f r o m t h e r a w p r o d u c t s basis a n d f r o m t h e fact t h a t coniferous l i g n i n consists of s i m p l e r m a c r o m o l e c u l e s w h i c h are f o r m e d b y e n z y m a t i c d e h y d r o g e n a t i o n of c o n i f e r y l alcohol, p - c o u m a r i c a l c o h o l a n d sinapic a l c o h o l i n t h e w e i g h t r a t i o 81 : 12 : 7, w h i l e h a r d w o o d l i g n i n is f o r m e d b y d e h y d r o g e n a t i o n of c o n i f e r y l alcohol, p - c o u m a r i c a l c o h o l a n d sinapic a l c o h o l i n t h e w e i g h t r a t i o 45 : 6 : 49. U p to t h e p r e s e n t t i m e a l l k n o w l e d g e c o n c e r n i n g t h e b i o l o g i c a l d e c o m p o s i t i o n of l i g n i n caused b y w o o d - d e s t r o y i n g f u n g i , f r o m t h e p o i n t of v i e w of i t s d e c o m p o s i t i o n t o m o n o m e r i c substances w h i c h t h e n are used i n t r a c e l l u l a r l y as a source of n u t r i t i o n , o r i g i n a t e d f r o m F. F. NORD a n d h i s c o w o r k e r s as w e l l as f r o m M . E. K . HENDERSON, W.

FLAIG,

T.

FUKUZUMI,

and

H.

ISHIKAWA.

The

effect

of

NORD

and

his

c o w o r k e r s i n t h e i n v e s t i g a t i o n of t h e d e c o m p o s i t i o n of B r a u n s a n d B j ö r k m a n s o f t w o o d l i g n i n w a s c r o w n e d w i t h success a n d t h e y w o r k e d o u t a scheme for t h e d e c o m p o s i t i o n of t h e g u a i a c y l g l y c e r o l - / ? - c o n i f e r y l

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Roman Sopko

e t h e r u n i t . T h i s u n i t represents t h e first step i n t h e d e c o m p o s i t i o n of t h e l i g n i n m a c r o m o l e c u l e a n d is b r o k e n a w a y f r o m i t b y a c t i o n of a n e c t o e n z y m a t i c c o m p l e x o n t h e p a t h w a y to m o n o m e r i c substances. Since o u r i n s t i t u t e m a i n l y deals w i t h t h e i n v e s t i g a t i o n of p r o p e r t i e s a n d u t i l i z a t i o n of beech w o o d , w e decided to c o n c e n t r a t e o u r a t t e n t i o n to t h e c o n d i t i o n s a n d to t h e m e c h a n i s m of d e c o m p o s i t i o n of beech w o o d l i g n i n . I n t h e first stage of i n v e s t i g a t i o n w e h a v e t a k e n f o r o u r t a s k to choose t h e m o s t c o n v e n i e n t l i g n i n decomposer f r o m 25 species of white-rot fungi. M a t e r i a l and methods F o r t h e i n v e s t i g a t i o n w e h a v e selected 25 species of w h i t e - r o t f u n g i w h i c h o r i g i n a t e d f r o m t h e Czechoslovak C o l l e c t i o n of W o o d - D e s t r o y i n g F u n g i , D e p a r t m e n t of P l a n t P h y s i o l o g y a n d Genetics, P u r k y n é U n i v e r sity, B r n o , a n d f r o m t h e M i c r o b i o l o g i c a l D e p a r t m e n t of N o r w a y A g r i cultural Institute i n Vollebekk.

T a b . 1. W h i t e - r o t test f u n g i . T h e t e m p e r a t u r e d a t a represent t h e g r o w t h o p t i m a ( V . RYPÀCEK, 1957; K . ST. G . CARTWRIGHT a n d W . P. K .

FINDLAY,

1946).

Schizophyllum commune Fr Fomes annosus (Fr.) Cooke Marasmius androsaceus Fr Marasmius rotula Fr Inonotus hispidus (Bull.) Karst Phellinus igniarius (L. ex Fr.) Quelet Inonotus nidus-pici Pilät Trametes versicolor (L. ex Fr.) Pilät Marasmius scorodonius Fr Gloeoporus adustus (Willd.) Pilät η. c Xylaria hypoxylon (L.) Grev Ganoderma applanatum (Pers.) Pat Trametes suaveolens (L.) Fr Merulius tremellosus Schrad Trametes hirsuta (Wulf.) Pilät Mycena galericulata Fr Ganoderma lucidum (Leys.) Karst Phellinus igniarius ssp. pomaceus (Pers.) Quel Fomes fomentarius (L.) Kickx Trametes gibbosa (Pers.) Fr Phellinus pini (Thore) Pilät Inonotus glomeratus Peck Trametes abietina (Dick.) Pilät Trametes confragosa (Bolt.) Jörstad Pleurotus ostreatus (Jacq.) Fr

°C 30 23 22 22 28 26 25 26 22 30 18 27 25 30 29 22 27 30 27 30 25 25 22 25 27

L i g n o l y t i c A c t i v i t y of W h i t e - R o t F u n g i

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T h e n u t r i e n t solution for the c u l t i v a t i o n was composed according to T. (1960). No microelements were added, since tap w a t e r was used, w h i c h contains t h e m i n a sufficient amount. The acidity of the solution was adjusted to p H 5.6.

FUKUZUMI

K2HP04 MgS04. 7 H 2 0 CaCOjj Bacto-pepton „ D i f c o " Thiamin HCl Tap w a t e r

1.5 g 0.5 g 1.0 g 1.0 g 2.0 m g 1000.0 m l

T h e d e c a y s u b s t r a t e w a s beech w o o d m e a l p a s s i n g a 0.3 m m

mesh

g r i d , f r o m w h i c h a n u t r i e n t p u l p w a s p r e p a r e d b y m i x i n g 12.5 g s u b stance w i t h

70 m l

of n u t r i e n t

s o l u t i o n i n 500 m l E r l e n m e y e r

flasks.

A f t e r 20 m i n . a u t o c l a v e s t e r i l i z a t i o n a t 120° C, t h e c u l t u r e m e d i a w e r e i n o c u l a t e d w i t h t h e f u n g i a n d s t o r e d a t 22, 25, a n d 30° C. For the analysis of l i g n i n degradation products, samples were taken three times at eight week's intervals. D u r i n g these intervals the c u l t i v a t i o n was i n t e r rupted and the degradation products were extracted f r o m the culture m e d i u m w i t h 2 ° / o N a O H solution ( M . E . K . H E N D E R S O N , 1 9 6 3 ) . A f t e r separation of w o o d meal and m y c e l i u m b y filtering, the alkaline solution was acidified to p H 2,0, followed b y a second filtration i n order to separate the originated precipitate. Clear y e l l o w solution was extracted b y ether; the etheric solution was evaporated i n nitrogen atmosphere to a final v o l u m e of about 50 m l and the contained substances w e r e d i v i d e d into carbonyl, carboxyl, phenolic, a n d n e u t r a l fractions b y treating w i t h 25 % N a H S 0 3 , 8 °/o N a H C 0 3 , and 5 , Hypholoma fasciculare as a t y p i c a l i n h a b i t a n t of m o i s t s t u m p s g r o w s best i n w o o d c o n t a i n i n g a m o i s t u r e c o n t e n t of 120 °/o or more. One of t h e m o s t i m p o r t a n t factors t h a t d e t e r m i n e s w h e t h e r an i n f e c t i o n is able to s u r v i v e a n d spread is t h e a b i l i t y of t h e f u n g u s to t o l e r a t e w i d e v a r i a t i o n s i n m o i s t u r e c o n t e n t a n d p r o l o n g e d periods of desiccation. Some f u n g i such as Merulius lacrymans demand fairly

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W. P. Κ . Findlay

constant c o n d i t i o n s — others such as Lenzites sepiaria, Lenzites trabea a n d Poria contigua can r e m a i n v i a b l e i n a c o m p l e t e l y d r y c o n d i t i o n f o r l o n g periods, e.g., u p to 10 years or m o r e a n d w i l l q u i c k l y r e v i v e on re w e t t i n g . These l a t t e r are t h e species t h a t one f i n d s i n f u l l y e x posed s i t u a t i o n s such as f e n c i n g rails, w i n d o w sills a n d t h e w o o d e n p a r t s of vehicles. O n l y species t h a t can t o l e r a t e p r o l o n g e d desiccation a n d h i g h t e m p e r a t u r e s can s u r v i v e u n d e r these severe c o n d i t i o n s of exposure. Aeration W o o d - r o t t i n g f u n g i are a l l i n some degree aerobic o r g a n i s m s a n d t h e y c a n n o t g r o w u n d e r t r u l y anaerobic c o n d i t i o n s as i n m u d . I t seems p r o b a b l e t h a t t h e changes t h a t do occur i n t h e base of piles e m b e d d e d i n m u d are d u e to t h e a c t i o n of b a c t e r i a such as t h e Micromonospora r e c e n t l y described b y L . H A R M S E N a n d Τ . V . N I S S E N ( 1 9 6 5 ) . I t has o n l y r e c e n t l y been recognised t h a t t h e surface of w o o d s a t u r a t e d w i t h w a t e r can be attacked b y a w i d e r a n g e of cellulose d e s t r o y i n g m i c r o f u n g i — b o t h i n t h e sea a n d i n fresh w a t e r . U n d e r these w a t e r l o g g e d c o n d i t i o n s t h e degree of a e r a t i o n of t h e w a t e r m u s t affect t h e r a t e of g r o w t h of such f u n g i . S o f t - r o t f u n g i g r o w m o r e v i g o r o u s l y i n t h e surface l a y e r s of t i m b e r i n w a t e r c o o l i n g t o w e r s t h a n i n w o o d l y i n g i n s t a g n a n t w a t e r because t h e c i r c u l a t i n g w a t e r is so w e l l aerated i n cooling towers. Temperature T h e t e m p e r a t u r e r e l a t i o n s of a f u n g u s l a r g e l y d e t e r m i n e i t s geograp h i c a l range — Merulius lacrymans f o r instance, is n e v e r f o u n d i n t h e t r o p i c s or i n m i n e s w h e r e t h e t e m p e r a t u r e exceeds 25° C. Poria xantha w h i c h has an o p t i m u m f o r g r o w t h of a b o u t 28° C is t h e m o s t p r e v a l e n t f u n g u s i n t h e w o o d w o r k of greenhouses. W h e t h e r one species or a n o t h e r becomes d o m i n a n t i n a n y e n v i r o n m e n t i n w h i c h food s u p p l y a n d h u m i d i t y are e q u a l l y f a v o u r a b l e to b o t h l a r g e l y depends on t h e i r r e l a t i v e rates of g r o w t h . F o r e x a m p l e , at 20°, Coniophora can g r o w 50 °/o faster t h a n Lentinus lepideus , a n a d v a n t a g e t h a t w i l l soon enable i t to occupy m o s t of the substrate, w h e r e a s at 30°, Lentinus can g r o w t w i c e as fast as Coniophora and t h e p o s i t i o n w i l l be reversed. U . A M M E R (1964) has s h o w n t h a t at u n f a v o u r a b l y l o w m o i s t u r e contents, l o w t e m p e r a t u r e s r e t a r d g r o w t h m o r e e f f e c t i v e l y t h a n at h i g h e r m o i s t u r e contents. A t 35 °/o m o i s t u r e content, Polyporus stipticus caused n e g l i g i b l e loss of w e i g h t at 4°, b u t i n w o o d at a b o u t 7 0 % m o i s t u r e c o n t e n t i t b r o u g h t a b o u t an a p p r e c i a b l e decay at t h i s t e m p e r a t u r e .

Ecology of Wood-Destroying and Wood-Inhabiting Fungi I n t e r a c t i o n

between

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fungi

L i t t l e is k n o w n a b o u t t h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n d i f f e r e n t f u n g i g r o w i n g i n t h e same piece of w o o d . W h i l e i t is q u i t e n o r m a l to f i n d several species of B a s i d i o m y c e t e s g r o w i n g i n t h e same log, i t is r a r e to isolate m o r e t h a n one B a s i d i o m y c e t e species f r o m t h e same area i n a piece of w o o d . I t w o u l d seem t h a t t h e m y c e l i a of d i f f e r e n t f u n g i s e l d o m become i n t e r m i n g l e d , p r o b a b l y because of some a n t a g o n i s m of a c h e m i c a l n a t u r e . H o w e v e r , t h e r e is u s u a l l y a sequence of f u n g i i n a log, s t u m p or post w h i c h b r o a d l y f o l l o w s t h e f o l l o w i n g p a t t e r n : 1. F u n g i l i v i n g on c e l l contents such as sugar a n d starch, e.g., saps t a i n i n g m o u l d s a n d B a s i d i o m y c e t e s such as Schizophyllum and purpureum. Stereum 2. F u n g i t h a t decompose cellulose a n d l i g n i n of t h e cell w a l l s . 3. F u n g i t h a t l i v e o n t h e p a r t i a l l y decomposed cell w a l l m a t e r i a l s — a n d o n t h e residues of t h e e a r l i e r c o l o n i s i n g species, e.g., h u m u s d w e l l i n g A g a r i c s , Lycoperdon pyriforme and Myxomycetes. T h e m o r e w e s t u d y soil o r g a n i s m s t h e m o r e do w e f i n d c o m p l i c a t e d i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e m a n d s o m e t h i n g s i m i l a r m u s t occur i n w o o d i n f e c t e d w i t h a r a n g e of organisms. I t is l i k e l y t h a t gaseous m e t a b o l i c p r o d u c t s p l a y a m u c h m o r e i m p o r t a n t role t h a n has i n t h e past been suspected, i n f l u e n c i n g b o t h spore g e r m i n a t i o n a n d m y c e l i a l g r o w t h . A t P r i n c e s R i s b o r o u g h w e f o u n d f o r instance, t h a t t h e g r o w t h of Coniophora w o u l d be g r e a t l y s t i m u l a t e d b y v o l a t i l e substances g i v e n o f f b y fresh p i n e s a p w o o d a n d O. SUOLAHTI (1951) f o u n d s i m i l a r results w i t h Stereum sanguinolentum. Such substances m u s t i n f l u e n c e t h e spread of f u n g i w i t h i n t h e w o o d a n d i t is h i g h l y p r o b a b l e t h a t some f u n g i react to t h e v o l a t i l e p r o d u c t s g i v e n o f f b y others. W . BAVENDAMM (1928) m a n y years ago s h o w e d h o w t y p i c a l h e a r t w o o d species such as Stereum jrustulosum are m o r e t o l e r a n t of h i g h c o n c e n t r a t i o n s of CO2 t h a n s a p r o p h y t i c species such as Merulius lacrymans.

Ecology of Soft Rot F u n g i Since t h e i m p o r t a n c e of cellulose d e s t r o y i n g m i c r o f u n g i as a cause of decay i n w o o d w a s f i r s t recognized some 10 or 12 years ago t h e r e h a v e been m a n y i n v e s t i g a t i o n s i n t o t h e i r m o d e of attack o n t h e c e l l w a l l s b u t f e w studies of t h e i r p h y s i o l o g y a n d ecology. A n i m p o r t a n t difference w h i c h J. G. SAVORY (1954) a n d others h a v e f o u n d b e t w e e n soft r o t f u n g i a n d B a s i d i o m y c e t e s is t h e dependence of t h e f o r m e r on e x t e r n a l sources of n i t r o g e n a n d o t h e r n u t r i e n t s . I n some of his e x p e r i m e n t s w i t h Chaetomium o n beech w o o d , he f o u n d f o r e x a m p l e , t h a t t h e a m o u n t of decay i n a g i v e n t i m e was d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l to t h e

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W. P. Κ . Findlay

a m o u n t of n i t r o g e n added. Soft r o t is t h e r e f o r e m o s t a c t i v e i n t i m b e r w h i c h is i n contact w i t h t h e soil or w i t h w a t e r c o n t a i n i n g n u t r i e n t s i n solution. W . L I E S E a n d U . A M M E R ( 1 9 6 4 ) s h o w e d t h a t several soft r o t f u n g i n o t o n l y t o l e r a t e v e r y h i g h m o i s t u r e contents b u t a c t u a l l y cause m o r e r a p i d decay i n w o o d c o n t a i n i n g 100 °/o m o i s t u r e content, at least i n t h e s m a l l test pieces t h e y used, i n t o w h i c h o x y g e n c o u l d d i f f u s e f a i r l y r e a d i l y . T h e y also s h o w e d t h a t these f u n g i can s u r v i v e f o r l o n g periods i n f a i r l y d r y w o o d , r e v i v i n g q u i c k l y o n r e w e t t i n g .

T h e h i g h resistance of soft r o t f u n g i to w o o d p r e s e r v a t i v e s p a r t i c u l a r l y to those based o n fluorides a n d Chromates a n d l a c k i n g copper, has been c o n f i r m e d b o t h i n l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t s a n d i n f i e l d tests. I t has also b e e n s h o w n t h a t some species are m o r e resistant to h e a r t w o o d e x t r a c t i v e s t h a n are B a s i d i o m y c e t e s . I n d e e d i t n o w seems t h a t m o s t of t h e s l o w decay t h a t does u l t i m a t e l y occur i n t h e s u p e r f i c i a l l y leached zones of n a t u r a l l y d u r a b l e t i m b e r s or of i m p r e g n a t e d w o o d is i n fact b r o u g h t a b o u t b y soft r o t f u n g i . C. G. DUNCAN (1960) s h o w e d t h a t m a n y soft r o t f u n g i can t o l e r a t e s l i g h t l y a l k a l i n e c o n d i t i o n s a n d can t h r i v e at h i g h e r t e m p e r a t u r e s t h a n do m o s t B a s i d i o m y c e t e s . A l t h o u g h coniferous w o o d is q u i t e o f t e n f o u n d i n p r a c t i c e to be attacked b y soft r o t , a l l i n v e s t i g a t i o n s c o n f i r m t h a t i t is m o r e d i f f i c u l t i n t h e l a b o r a t o r y to i n d u c e soft r o t f u n g i to attack c o n i f e r w o o d t h a n h a r d w o o d s . I t is a m a t t e r of c o m m o n e x p e r i e n c e t h a t coniferous t w i g s a n d branches are n o t so susceptible to decay as t h e s m a l l b r a n c h w o o d of beech, b i r c h , m a p l e , hazel a n d o t h e r h a r d w o o d s w h i c h p r o v i d e t h e m y c o l o g i s t w i t h a f i n e r a n g e of P y r e n o m y c e t e s a n d o t h e r s m a l l c e l l u lose d e s t r o y i n g m i c r o f u n g i . J. G. SAVORY (1954) has suggested t h a t t h e h i g h e r resistance of c o n i f e r w o o d to soft r o t f u n g i is p r o b a b l y t o be a t t r i b u t e d to its h i g h e r c o n t e n t of l i g n i n .

Fructification of Wood-rotting Basidiomycetes A n y o n e w h o has s t u d i e d w o o d - r o t t i n g f u n g i i n c u l t u r e k n o w s t h e g r e a t d i f f e r e n c e b e t w e e n species i n respect of t h e i r a b i l i t y to p r o d u c e sporophores i n p u r e c u l t u r e . Some l i k e Schizophyllum a n d Collybia velutipes f r u c t i f y i n a f e w w e e k s w h i l s t others h a v e scarcely ever been i n d u c e d to f r u i t i n c u l t u r e . G e n e r a l l y t h e r e is a r o u g h c o r r e l a t i o n bet w e e n t h e l e n g t h of t i m e t h a t a species i n n a t u r e r e q u i r e s to f o r m a f r u c t i f i c a t i o n a n d t h e ease w i t h w h i c h i t f r u i t s i n c u l t u r e . T h e m o r e e p h e m e r a l q u i c k g r o w i n g species such as Schizophyllum fructify more r a p i d l y t h a n species of Fomes w h i c h i n n a t u r e p r o d u c e sporophores o n l y a f t e r several years' g r o w t h i n a t r e e t r u n k . F r o m t h e studies of E. C . B A D C O C K ( 1 9 4 3 ) a n d Β . E . P L U N K E T T ( 1 9 5 6 , 1 9 6 1 ) i n E n g l a n d a n d of

Ecology of Wood-Destroying and Wood-Inhabiting Fungi

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t h e w o r k e r s i n A u s t r a l i a , w e n o w h a v e techniques w h i c h w i l l h e l p us to g r o w f r u c t i f i c a t i o n s i n p u r e c u l t u r e b u t w e s t i l l k n o w v e r y l i t t l e about the s t i m u l i that i n i t i a t e fructification or about the conditions f o r t h e p r o d u c t i o n of perfect sporophores. L i g h t is a n essential f o r t h e f r u c t i f i c a t i o n of m a n y species b u t h o w m u c h e x p o s u r e to l i g h t is necessary f o r d i f f e r e n t species is n o t k n o w n . P r e l i m i n a r y e x p e r i m e n t s i n m y l a b o r a t o r y suggested t h a t f o r some species an exposure as s h o r t as one m i n u t e i n one w e e k m i g h t be s u f f i c i e n t to t r i g g e r o f f t h e process of f r u i t b o d y f o r m a t i o n . T h e stipes of m a n y B a s i d i o m y c e t e sporophores are s t r o n g l y p h o t o t r o p i c b u t as t h e f r u i t b o d y develops, n e g a t i v e g e o t r o p i s m becomes t h e m a j o r f a c t o r d e t e r m i n i n g t h e d i r e c t i o n of g r o w t h . Β . E. PLUNKETT'S (1956, 1961) w o r k o n Polyporus brumalis suggests t h a t t h i s change results f r o m t h e e x p a n s i o n of t h e p i l e u s w h i c h t h e n shades t h e stipe f r o m l i g h t . A n adequate s u p p l y of m o i s t u r e to t h e s u b s t r a t u m c o m b i n e d w i t h a moderately h u m i d b u t not saturated atmosphere around the f r u i t b o d y i n i t i a l s are also necessary f o r t h e successful d e v e l o p m e n t of f r u i t bodies.

Sap-staining Fungi Space does n o t p e r m i t m o r e t h a n a b r i e f reference to t h e s a p - s t a i n i n g f u n g i w h i c h i n c l u d e such a r a n g e of species t h a t g e n e r a l i z a t i o n s a b o u t t h e i r ecology are d i f f i c u l t . Reference has a l r e a d y been m a d e to t h e i r r e q u i r e m e n t s f o r r e a d i l y a v a i l a b l e n u t r i e n t s such as t h e reserve food m a t e r i a l s i n t h e r a y s a n d I h a v e f o u n d t h a t d e p l e t i o n of t h e starch does reduce t h e s u s c e p t i b i l i t y of t h e h a r d w o o d s to Diplodia. J. ROGISTER (1955) f o u n d a g r e a t d i f f e r e n c e i n t h e s u s c e p t i b i l i t y to s t a i n i n g of P o p l a r w o o d f e l l e d at d i f f e r e n t seasons of t h e y e a r — trees f e l l e d i n A p r i l a n d J u l y b e i n g m u c h m o r e susceptible t h a n those f e l l e d i n M a y , J u n e o r D e c e m b e r — t h e differences b e i n g d u e no d o u b t , t o v a r i a t i o n s i n t h e n a t u r e a n d a m o u n t of t h e c e l l contents. Obeche logs i n w h i c h f e r m e n t a t i o n of t h e sap has occurred, m a y become a l m o s t i m m u n e to Lasiodiplodia attack. M a n y species of s a p - s t a i n f u n g i are d i s t r i b u t e d b y b a r k beetles w i t h w h i c h t h e y g r o w i n a s y m b i o t i c association. One c a n n o t discuss t h e ecology of s a p - s t a i n i n g f u n g i w i t h o u t c o n s i d e r i n g t h e b i o l o g y of t h e insects w i t h w h i c h t h e y are associated. D o u b t l e s s t h i s aspect w i l l be considered i n S e c t i o n 5 of t h i s S y m p o s i u m . One of t h e i n t e r e s t i n g u n s o l v e d p r o b l e m s r e l a t i n g t o s a p - s t a i n is t h e reason f o r t h e r e l a t i v e l y h i g h e r resistance to s a p - s t a i n of spruce w o o d as c o m p a r e d to p i n e s a p w o o d a n d a c o m p a r a t i v e s t u d y of t h e c a r b o h y d r a t e s a n d a m i n o acid contents of these t w o t i m b e r s m i g h t y i e l d t h e e x p l a n a t i o n .

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W. P. Κ . Findlay

S t a i n i n g f u n g i are s t r o n g l y aerobic o r g a n i s m s a n d t h e m o i s t u r e c o n t e n t of t h e s a p w o o d i n a v i g o r o u s l y g r o w i n g l i v i n g t r e e is n o r m a l l y too h i g h to p e r m i t t h e i r g r o w t h . S h o u l d t h i s m o i s t u r e c o n t e n t h o w ever be reduced b y d r o u g h t , i n j u r y or insect attack, t h e s a p w o o d of s t a n d i n g trees m a y become susceptible to attack. One can speak of a precise l i m i t i n g m o i s t u r e c o n t e n t f o r t h e d e v e l o p m e n t of s t a i n i n g f u n g i o n l y i n r e l a t i o n to t h e d e n s i t y of t h e w o o d , t h e l o w e r t h i s d e n s i t y is, t h e m o r e w a t e r a n d a i r i t can c o n t a i n . E . M U N C H ( 1 9 0 7 / 8 ) f o u n d t h a t w i n t e r f e l l e d p i n e w h i c h h a d lost 10 — 20 % of i t s w e i g h t , t h e n c o n t a i n e d s u f f i c i e n t a i r f o r b l u e s t a i n f u n g i to g r o w t h r o u g h o u t t h e sapwood. T h a t t h e s u p p l y of o x y g e n is t h e f a c t o r l i m i t i n g t h e g r o w t h of s t a i n i n g f u n g i i n w o o d w i t h a h i g h m o i s t u r e c o n t e n t w a s confirmed b y T . LAGERBERG, G . LUNDBERG and E . M E L I N ( 1 9 2 7 ) . S t a i n i n g f u n g i can g r o w i n w o o d t h a t has been a i r - d r i e d a n d r e w e t t e d b u t t h e y a l w a y s seem to g r o w m o r e v i g o r o u s l y o n w o o d t h a t is d r y i n g f o r t h e f i r s t t i m e f r o m t h e g r e e n c o n d i t i o n t h a n o n r e w e t t e d wood. I n t h i s r e v i e w I h a v e been able to refer b r i e f l y o n l y to t h e m o r e i m p o r t a n t factors t h a t i n f l u e n c e t h e e s t a b l i s h m e n t a n d spread of f u n g i a n d I w o u l d l i k e to c o n c l u d e b y r e i t e r a t i n g once m o r e t h e i m p o r t a n c e t h a t resistance to v a r i a t i o n s i n t h e m o i s t u r e c o n t e n t of t h e s u b s t r a t e has o n t h e s u r v i v a l of these f u n g i i n a n y g i v e n h a b i t a t . T h e a b i l i t y to t o l e r a t e e x t r e m e s of t e m p e r a t u r e a n d of dryness f o r p r o l o n g e d p e r i o d s enables c e r t a i n species successfully to colonise m a n y h a b i t a t s w h i c h i n c l u d e t i m b e r s of economic i m p o r t a n c e to m a n . O n l y t o u g h resistant species can s u r v i v e i n poles, f e n c i n g a n d r a i l w a y sleepers exposed to a l l t h e e x t r e m e s of o u r v a r i a b l e c l i m a t e .

Summary The establishment of a fungus i n wood depends on:1. a r r i v a l of infection i n the form of spores or mycelium, 2. presence of n u t r i t i v e materials and of an adequate amount of moisture i n the wood, 3. absence of toxic substances i n the wood, e. g., natural antibiotics or chemicals introduced as wood preservatives. The further development and spread of an attack largely depends on the ability of the fungus to tolerate sudden and violent changes i n temperature and moisture content. Each industrial use of wood presents a different set of environmental conditions for wood-rotting fungi. One finds therefore quite a l i m i t e d flora i n building timber, i n poles and i n sleepers. I f the conditions are very unfavourable, there may be only a very few specialised fungi that can tolerate them.

Ecology of Wood-Destroying and Wood-Inhabiting

F u n g i 2 0 9

The micro fungi that cause soft rot can often t h r i v e under conditions that i n h i b i t the Basidiomycetes, such as a high temperature, excessive moisture and the presence of toxic chemicals such as fluorides. The development of sap-stain fungi is favoured by an abundance of available carbohydrates i n the wood. There is an important association between these staining fungi and bark beetles. Zusammenfassung Die Ökologie in Holz vorkommender Pilze Die Ausbreitung eines Pilzes i m Holz hängt ab von 1. einer Infektion durch Sporen oder Mycel, 2. der Gegenwart v o n Nährstoffen u n d Feuchtigkeit i m Holz, 3. dem Fehlen antibiotischer Stoffe i m Holz oder von Chemikalien, die als Schutzmittel i n das Holz gebracht wurden. Die Entwicklung u n d das Fortschreiten eines Befalls hängen davon ab, i n wieweit der Pilz plötzlichen und heftigen Änderungen der Temperatur und des Feuchtigkeitsgrades zu widerstehen vermag. Jede industrielle V e r w e r t u n g des Holzes schafft f ü r holzbewohnende Pilze sehr unterschiedliche Bedingungen. So findet man zum Beispiel eine deutlich begrenzte Flora i m Konstruktionsholz, i n Masten oder Schwellen. Wenn die Bedingungen sehr ungünstig sind, findet man n u r eine geringe Z a h l solcher Pilzarten, die gegen diese Bedingungen sehr widerstandsfähig sind. Die Pilze, die Moderfäule verursachen, können unter Bedingungen gedeihen, welche die Basidiomyceten hemmen: eine hohe Feuchtigkeit, eine höhere Temperatur oder die Gegenwart toxischer Stoffe w i e Fluoride. Die Entwicklung der Pilze, die „Bläue" verursachen, w i r d begünstigt, w e n n lösliche Kohlenhydrate i m Holz i m Uberfluß vorhanden sind. Es besteht eine wichtige Verbindung zwischen dem Angriff der Coleopteren und der E n t w i c k lung verfärbender Pilze. Résumé Ecologie des champignons lignicoles L'établissement d'un champignon dans le bois dépend de:1. infection en forme de spores ou mycèlium, 2. présence des substances nutritives et de l'humidité dans le bois, 3. absence des substances antibiotiques dans le bois ou des produits chimiques introduites comme agents conservatrices. Le développement et le progrès d'une attaque dépend du pouvoir du champignon de résister aux changements soudains et violents de température et de taux de l'humidité. Chaque emploi industriel du bois présente des situations bien différentes pour les champignons lignicoles. On trouve alors, par example une flore assez limitée dans le bois de construction, dans les poteaux et dans les traverses. Lorsque les conditions sont très sevères on ne trouve qu' un très petit nombre d'espèces q u i sont très résistants à ces conditions. 14 M a t e r i a l u n d O r g a n i s m e n , B e i h e f t 1

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Les micromycètes qui causent la pourriture molle peuvent prospérer lorsque les Basidiomycètes sont interdites par trop de l'humidité, une température trop élevée ou des produits toxiques comme les fluorides. L e développement des champignons q u i causent bleuissement est favorisé par l'abondance dans le bois des carbohydrates solubles. I l existe u n lien important entre l'attaque des coleoptères et le développement des champignons décolorants.

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Ecology of Wood-Destroying and Wood-Inhabiting F u n g i

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Address of the author: Dr.

W . P. Κ .

FINDLAY,

St. George's H i l l , Salfords, Redhill, Surrey, England

P h y s i o l o g i e der H o l z p i l z e E i n U b e r b l i c k ü b e r neuere Forschungsergebnisse V o n

WERNER

BAVENDAMM

Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft, Reinbek (Deutschland)

Einleitung Die letzten zusammenfassenden Übersichten, an die ich i n einem Übersichtsvortrag über die Physiologie der Holzpilze anknüpfen konnte, sind etwa die von W . P. K . F I N D L A Y i n den Forestry Abstracts veröffentlichten aus den Jahren 1956 über „ T i m b e r Decay" u n d 1959 über „Sap-Stain". Soweit man aus den T i t e l n der 201 bzw. 91 angeführten Veröffentlichungen auf deren I n h a l t schließen kann, betrafen davon n u r 20 bzw. 10 % die Physiologie der Holzpilze. Die Mehrzahl der uns interessierenden Arbeiten befaßt sich, w i e man weiß, m i t auf die Praxis der Holzschäden u n d des Holzschutzes ausgerichteten Problemen. Auch der Abschnitt über die Physiologie der Holzpilze i n dem schönen Standardwerk von K . S. G . CARTYVRIGHT und W . P. K . F I N D L A Y aus dem Jahr 1958 (Decay of Timber and its Prevention) enthält eine L i t e raturzusammenstellung von nicht einmal 100 Arbeiten. Diese zahlenmäßige Betrachtung gibt aber natürlich ein etwas falsches Bild, w e i l auch i n den praxisnahen Arbeiten manche physiologischen Fragen behandelt werden. Die hier verborgenen Schätze müssen noch gehoben werden. Als ich danach als Zeitspanne für meine Ausführungen etwa d i e l e t z t e n 10 J a h r e wählen konnte, holte ich m i r meine K a r t e i hervor, studierte Sonderdrucke, zog die verschiedenen Referatewerke zu Rate u n d n a h m auch Einsicht i n den 1963 gedruckten u n d 50 verschiedenartige Beiträge enthaltenden Bericht über das Internationale Symposium „Holzzerstörung durch Pilze" i n Eberswalde 1962, i n dem sich auch eine Übersicht über die wichtigste Spezialliteratur der letzten Jahre m i t 259 N u m m e r n befindet. Es zeigte sich nun, daß diesmal eigentlich mindestens 400 Veröffentlichungen hätten Berücksichtigung finden müssen, w e n n ich mich n u r oder doch v o r wiegend auf rein physiologische A r b e i t e n beschränkte. Da eine lückenlose Berichterstattung über alle diese Veröffentlichungen, wie sie m i r 1936 bei r u n d 500 Arbeiten i n meinem Beitrag zu Abderhaldens Handbuch der biologischen Arbeitsmethoden (Abt. X I I , T e i l 2, S. 927—1134) noch möglich war, hier undurchführbar ist u n d auch nicht i m Sinne des Symposiums liegt, w a r ich gezwungen, eine A u s w a h l zu treffen. Es mußten, w e n n nicht wichtige Gründe dagegen sprachen, alle kleinen Einzelbeobachtungen entweder u n berücksichtigt bleiben oder nur summarisch behandelt werden. So schrumpfte dann die Z a h l der unbedingt erwähnenswerten Veröffentlichungen auf 90 zusammen. Näher besprochen w u r d e n solche Arbeiten, die für eine Diskus-

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Werner Bavendamm

sion i n Frage kamen, während die anderen lediglich i m Literaturverzeichnis aufgeführt sind. Die kleinen, hier nicht berücksichtigten Arbeiten findet man i n den zusammengestellten grundlegenden Veröffentlichungen zitiert. Angesichts der Tatsache, daß manche der von m i r zu erörternden Probleme nicht Gegenstand einer einzigen Sektion sein können u n d ich erst durch das gedruckte Programm erfuhr, welche Vorträge angemeldet waren, ließ es sich nicht vermeiden, daß Ü b e r s c h n e i d u n g e n vorkommen. Das ist meiner Meinung nach sogar nützlich, da der Nichtspezialist die Akzente anders setzt und sich vielleicht bei schwierigen Fragen eher verständlich macht, w e i l er auf Einzelheiten verzichten muß u n d kein „Experten-Chinesisch" spricht. Häufig ist i n den angekündigten Vorträgen und i n der einschlägigen L i t e ratur von holzzerstörenden u n d holzverfärbenden oder holzbewohnenden Pilzen die Rede, w o m i t angedeutet werden soll, daß bei den Untersuchungen verschiedene Pilzgruppen berücksichtigt wurden. Da diese Ausdrücke nicht eindeutig u n d auch nicht ganz logisch sind, benutze ich i n letzter Zeit, schon der Kürze wegen, lieber die Bezeichnung H o l z p i l z e , w i e man beispielsweise i n der medizinischen Mikrobiologie auch von Hautpilzen spricht. D a m i t meine ich die am Holz vorkommenden Basidiomyceten u n d Ascomyceten sowie die F u n g i imperfecti, die E. G Ä U M A N N als asexuelle Formen der Ascomyceten bezeichnet. Da weiter i n manchen Veröffentlichungen zu lesen ist, daß man m i t höheren Pilzen gearbeitet habe, wenn Basidiomyceten gemeint sind, habe ich den Eindruck, daß nicht i m m e r eine klare Vorstellung darüber besteht, was m a n unter höheren u n d niederen Pilzen zu verstehen hat. Nach den botanischen Lehrbüchern gehören auch die Ascomyceten u n d Fungi imperfecti zu den höheren Pilzen. Niedere Pilze sind n u r die querwandlosen Algenpilze (Phycomycetes). Es ist also m. E. schon besser, zur Vermeidung von Fehlern oder Ungenauigkeiten von Groß- und Kleinpilzen (Macro- u n d Microfungi) zu sprechen, w i e es häufiger auch geschieht. Erfreulich ist, daß i m neuesten allgemeinen Lehrbuch über die Physiologie der Pilze (V. W. C O C H R A N E 1 9 5 8 ) nicht mehr wie i n den älteren Lehrbüchern die A l l e r w e l t s Kleinpilze, die etwa für die Industrie von Bedeutung sind, die Hauptrolle spielen, sondern auch die Holzpilze ihre gebührende Berücksichtigung finden. Vorausschicken muß ich schließlich noch, daß ein Fülle von Untersuchungen vorliegt, i n denen das Holz als Nährsubstrat dient, w o m i t die Arbeiten zu einem großen T e i l i n das Gebiet der Ökologie der Holzpilze fallen. Ich habe mich daher bei meinen Darlegungen hauptsächlich auf L a b o r a t o r i u m s u n t e r s u c h u n g e n m i t künstlichen Nährböden u n d nach Möglichkeit auf die zweckfreie Grundlagenforschung konzentriert. Dabei folgte ich der üblichen, aber schwer einzuhaltenden Einteilung der Mikrobiologen i n B a u u n d Betriebsstoffwechsel. H e r r Kollege F I N D L A Y hat ja glücklicherweise einen Ubersichtsvortrag über die Ökologie der Holzpilze, also i h r Verhalten am natürlichen Standort, übernommen,

Baustoffwechsel W a s die E r n ä h r u n g u n d d i e K u l t u r d e r H o l z p i l z e a u f k ü n s t l i c h e n N ä h r b ö d e n angeht, so s i n d n e b e n neuen, aufschlußreichen U n t e r s u c h u n g e n v o n J. WAZNY (1963) ü b e r d i e M i n e r a l e r n ä h r u n g von 2 B r a u n f ä u l e e r r e g e r n besonders d i e A r b e i t e n v o n B e d e u t u n g , die sich m i t den K o h l e n s t o f f - u n d S t i c k s t o f f q u e l l e n befassen.

Physiologie der Holzpilze

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U . a. h a t H . LYR i n 5 g r u n d l e g e n d e n A r b e i t e n (1959 u. 1960) m i t B r a u n u n d Weißfäulepilzen sowie m i t 2 wichtigen Moderfäuleerregern die verschiedensten C - Q u e l l e n ( P e k t i n , Z e l l u l o s e , S t ä r k e , X y l a n u n d G l u kose) u n t e r s u c h t , w o b e i sich herausstellte, daß das beste W a c h s t u m u n d die s t ä r k s t e H o l z z e r s t ö r u n g a u f einer k o m p l e x e n C - Q u e l l e s t a t t f i n d e t . G l u k o s e ergab schlechteste M y z e l e r t r ä g e . A u s d e n U n t e r s u c h u n g e n g e h t w e i t e r h e r v o r , daß b e i der E n z y m b i l d u n g k e i n e gruppenspezifischen, s o n d e r n n u r artspezifische M e r k m a l e a u f t r e t e n . H i n s i c h t l i c h der U n t e r s u c h u n g e n ü b e r d i e N - Q u e l l e n sei h i e r ausn a h m s w e i s e auf einige p r a x i s n a h e A r b e i t e n h i n g e w i e s e n , u m w e n i g stens e i n m a l e i n B e i s p i e l f ü r das z u geben, w a s i c h als noch z u hebende Schätze bezeichnete. I c h selbst (W. BAVENDAMM, 1956) machte A n gaben über den günstigen Einfluß v o n Pepton auf zur P r ü f u n g v o n H o l z s c h u t z m i t t e l n herangezogene B a s i d i o m y c e t e n , u n d K . L O H W A G ( 1 9 5 7 ) v e r t i e f t e die U n t e r s u c h u n g e n d u r c h P r ü f u n g e i n e r g r ö ß e r e n Z a h l v o n H o l z p i l z e n , u n t e r denen sich auch einige M o d e r f ä u l e e r r e g e r befanden. B e i S p e r r h o l z u n d S p a n p l a t t e n s i n d nach J . M I C H A L A K ( 1 9 6 3 ) u n d d e n U n t e r s u c h u n g e n meines Schülers H . W I L L E I T N E R ( 1 9 6 4 ) b e i B a s i d i o m y c e t e n H a r n s t o f f l e i m e p i l z f ö r d e r n d . D i e besten C - u n d N - Q u e l l e n f ü r Merulius-Arten sind v o n W . ERB (1958) u n d für Bläuepilze i n umfangreichen V e r s u c h e n v o n A . K Ä Ä R I K ( 1 9 6 0 ) festgestellt w o r d e n . A u f die Z e l l u l o s e als C - Q u e l l e w i r d später noch n ä h e r eingegangen. K u r z verweilen w o l l e n w i r bei den Untersuchungen über den E i n fluß von V i t a m i n e n und Wuchsstoffen, wobei allerdings h i n s i c h t l i c h der B a s i d i o m y c e t e n d i e K e i m u n g s p h y s i o l o g i e i m V o r d e r g r u n d stand. Α . TH. CZAJA u n d E. H . POMMER b e r i c h t e t e n 1959 ü b e r wichtige Sporenkeimungsversuche m i t den beiden gefährlichen B r a u n f ä u l e e r r e g e r n Merulius lacrimans u n d Coniophora cerebella. D i e B a s i d i o s p o r e n b e n ö t i g e n danach z u r K e i m u n g e i n e n Plasmawuchsstoff ( V i t a m i n B i - G r u p p e ) u n d eine organische S ä u r e des Z i t r o n e n s ä u r e oder A t m u n g s - Z y k l u s . D i e A u s l ö s u n g der K e i m u n g v e r l ä u f t n i c h t erfolgreich, w e n n a l l e i n die W i r k s t o f f e oder a l l e i n die S ä u r e n v e r w e n d e t w e r d e n . V o n B e d e u t u n g f ü r die Ö k o l o g i e u n d d i e P r a x i s ist, daß die eine K e i m u n g auslösenden Stoffe v o n f r e m d e n M i k r o o r g a n i s m e n gel i e f e r t w e r d e n ( P r o b l e m d e r V o r i n f e k t i o n ) . So w a r e n K u l t u r f l l t r a t e v o n H o l z p i l z e n oder g e w ö h n l i c h e n S c h i m m e l p i l z e n k e i m u n g s a u s l ö s e n d . N a c h H . H . H A N D K E ( 1 9 6 3 ) l i e g t der V i t a m i n b e d a r f f r u k t i f i z i e r e n d e r M y z e l i e n h ö h e r als der der v e g e t a t i v e n M y z e l i e n . Über den Einfluß der V i t a m i n e auf Bläuepilze hat A . K Ä Ä R I K ( 1 9 6 0 ) zahlreiche Versuche gemacht. Es zeigte sich, daß z u m M y z e l w a c h s t u m a l l e Ophiostoma-Arten u n d die m i t I n s e k t e n v e r b u n d e n e n F u n g i i m p e r f e c t i e i n oder m e h r e r e V i t a m i n e ( T h i a m i n , P y r i d o x i n u n d B i o t i n ) b e n ö t i g e n . N u r w e n i g e B l ä u e p i l z e s i n d v i t a m i n a u t o t r o p h . A u f die K o n i -

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d i e n b i l d u n g scheint k e i n V i t a m i n speziellen E i n f l u ß z u haben. F ü r die B i l d u n g v o n P e r i t h e c i e n ist das K o h l e n s t o f f - S t i c k s t o f f - V e r h ä l t n i s im N ä h r b o d e n w i c h t i g . G ü n s t i g ist z. B . eine hohe K o n z e n t r a t i o n v o n G l u kose u n d eine n i e d r i g e S t i c k s t o f f k o n z e n t r a t i o n . W e g e n der W i r k u n g v o n S p u r e n e l e m e n t e n sei a u f das S a m m e l r e f e r a t v o n R. L . STARKEY ( 1 9 5 5 ) verwiesen. A n g e f ü g t sei h i e r , daß E. SPRECHER (1961 b u. 1963) a u f die B e d e u t u n g des I m p f s t ü c k s b e i der L a b o r a t o r i u m s k u l t u r v o n H o l z p i l z e n eingeht. E r e m p f i e h l t als I m p f m a t e r i a l h o m o g e n i s i e r t e j u n g e M y z e l s t ü c k e . B e t r a c h t e n w i r j e t z t die U n t e r s u c h u n g e n ü b e r d e n E i n f l u ß der äußer e n B e d i n g u n g e n auf das P i l z w a c h s t u m , so ist zunächst folgendes z u berichten. R. CAUCHON k o n n t e 1963 feststellen, daß d i e B i l d u n g v o n H y m e n o m y c e t e n - F r u c h t k ö r p e r n , die w i r M y k o l o g e n o f t z u r A r t b e s t i m m u n g oder aus a n d e r e n G r ü n d e n b e n ö t i g e n , v o n der O r i e n t i e r u n g der Agaroberfläche i n d e n K u l t u r r ö h r c h e n beeinflußt w i r d . L e g t m a n d i e R ö h r c h e n n i c h t , w i e ü b l i c h , m i t der schrägen F l ä c h e nach oben ( E p i k u l t u r ) , s o n d e r n nach u n t e n ( H y p o k u l t u r ) , e r h ä l t m a n zahlreichere u n d typischere F r u c h t k ö r p e r s o w i e eine l ä n g e r a n d a u e r n d e S p o r e n b i l d u n g . V o n den p h y s i k a l i s c h e n Faktoren wurden Licht und S t r a h l e n s o w i e häufiger die T e m p e r a t u r b e r ü c k s i c h t i g t . F ü r die F r u c h t körperbildung von Basidiomyceten i m Laboratorium konnte H. H. H A N D K E ( 1 9 6 3 ) bestätigen, daß das L i c h t e i n e n f ö r d e r n d e n E i n f l u ß a u f d i e G e s c h w i n d i g k e i t der A u s b i l d u n g s p o r u l i e r e n d e r F r u c h t k ö r p e r h a t . D a b e i k o m m t d e r B e l e u c h t u n g s d a u e r d i e H a u p t b e d e u t u n g zu. E r f o r d e r l i c h s i n d 25 L u x t ä g l i c h 12 S t u n d e n l a n g . A u f das M y z e l w a c h s t u m h a t t e das L i c h t k e i n e n E i n f l u ß . H i n s i c h t l i c h der T e m p e r a t u r z e i g t e n G. THEDEN u n d M . SCHULTZEdaß v o n 7 K l e i n p i l z e n , die a u f G r u n d verschiedener N o r m e n als P r ü f p i l z e z u r F e s t s t e l l u n g der S c h i m m e l w i d e r s t a n d s f ä h i g k e i t v o n W e r k s t o f f e n , B a u e l e m e n t e n u n d G e r ä t e n v o r g e s c h r i e b e n sind, 2 P i l z e (Penicillium brevi- comp actum u n d Stachybotrys atra) g a r n i c h t b e i der vorgeschriebenen T e m p e r a t u r v o n 30° C wachsen k ö n n e n . V o r g e s c h l a g e n w e r d e n 24 oder 25° C. A l l g e m e i n w i r d festgestellt, daß AspergillusA r t e n t h e r m o p h i l e r als Penicillium-Arten sind. I m gleichen J a h r (1960 a u. b) f a n d C. G. DUNCAN b e i M o d e r f ä u l e p i l z e n aus K ü h l t ü r m e n i m a l l g e m e i n e n h ö h e r e T e m p e r a t u r o p t i m a als b e i d e n B a s i d i o m y c e t e n . MOTEL (1960),

Umfangreiche u n d bemerkenswerte Untersuchungen über die Temper a t u r a n s p r ü c h e v o n B l ä u e p i l z e n w u r d e n 1964 v o n H . VON PECHMANN, E. GRAESSLE u n d A . WUTZ d u r c h g e f ü h r t . Sie b e n u t z t e n 15 A s c o m y c e t e n u n d F u n g i i m p e r f e c t i , die a u f A g a r u n d H o l z k u l t i v i e r t w u r d e n . N a c h i h r e n A n g a b e n l i e g t das O p t i m u m s ä m t l i c h e r P i l z e — m i t einer A u s n a h m e — i m B e r e i c h v o n 20 u n d 28° C u n d das M a x i m u m b e i 40° C. N i e d e r e T e m p e r a t u r e n w e r d e n v o n d e n B l ä u e p i l z e n a l l g e m e i n besser

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v e r t r a g e n als solche ü b e r 30° C. V o n großer B e d e u t u n g ist, daß die m e i s t e n d e r u n t e r s u c h t e n P i l z e b e i 0° C u n d selbst b e i g e r i n g e n F r o s t g r a d e n ( — 2 bis — 3° C) noch W a c h s t u m s v o r g ä n g e zeigen. V o n 3 Ceratocystis-Arten (C. pilifera, piceae u n d minor) w e r d e n u n t e r d e m G e f r i e r p u n k t sogar noch K o n i d i e n g e b i l d e t . Es k o n n t e festgestellt w e r d e n , daß d i e V i t a l i t ä t der B l ä u e p i l z e d u r c h Ü b e r s t e h e n einer K ä l t e p e r i o d e sogar gesteigert w i r d . Es ist also eine I n f e k t i o n des Holzes noch b e i T e m p e r a t u r e n u m den Gefrierpunkt möglich. U n t e r d e n c h e m i s c h e n F a k t o r e n h a t m a n schon i m m e r d e m E i n f l u ß d e s ρ H - W e r t e s B e a c h t u n g geschenkt. N e b e n verschied e n e n E i n z e l a r b e i t e n l i e g t eine größere u n d g r u n d l e g e n d e A r b e i t v o n J . W A Z N Y ( 1 9 6 0 ) v o r . E r b e n u t z t e 2 0 B a s i d i o m y c e t e n u n d die k o l o r i m e trische M e t h o d e . F ü r die V e r h ä l t n i s s e b e i d e n K l e i n p i l z e n s i n d die U n t e r suchungen v o n C. G. D U N C A N ( 1 9 6 0 a u. b) u n d A . K Ä Ä R I K ( 1 9 6 0 ) a u f schlußreich. N a c h C. G. DUNCAN besteht b e i d e n M o d e r f ä u l e p i l z e n d i e Tendenz, noch b i s z u PH 3 z u wachsen, u n d selbst p n 9 w i r d noch e r tragen. Dem P r o b l e m d e s S a u e r s t o f f b e d ü r f n i s s e s der H o l z pilze, das v o n m i r b e r e i t s 1928 m i t 32 A r t e n ( v o r w i e g e n d B a s i d i o m y c e ten) e i n g e h e n d s t u d i e r t w u r d e , schenkte z. B . E. SPRECHER (1961 u. später) b e i S t o f f w e c h s e l u n t e r s u c h u n g e n B e a c h t u n g . Größere Versuche m i t z a h l reichen B a s i d i o m y c e t e n u n d M o d e r f ä u l e p i l z e n s t e l l t e C. G. DUNCAN ( 1 9 6 1 ) an. M i t i h r e r einfachen M e t h o d e — sie v e r f o l g t e das W a c h s t u m i n verschlossenen K u l t u r r ö h r c h e n — k o n n t e n u r d i e T e n d e n z aufgezeigt w e r d e n , daß die M o d e r f ä u l e e r r e g e r b e i O o - M a n g e l n i c h t so e m p f i n d l i c h w i e die B a s i d i o m y c e t e n sind, w a s i n Ü b e r e i n s t i m m u n g m i t i h r e m V o r k o m m e n i n der N a t u r steht. Ü b e r d e n d a m i t i n Z u s a m m e n h a n g stehend e n E i n f l u ß eines e v e n t u e l l e n COg-Überschusses h a b e ich ebenfalls 1928 Versuche angestellt, u n d es gehen auch andere Forscher g e l e g e n t l i c h d a r a u f ein. D i e S a u e r s t o f f v e r s o r g u n g der H o l z p i l z e ist w e i t e r h i n a b h ä n g i g v o m Wassergehalt des Substrates, u n d i h r F e u c h t i g k e i t s b e d ü r f n i s ist schon ö f t e r u n t e r s u c h t w o r d e n , z u m a l es große p r a k t i s c h e B e d e u t u n g h a t . D i e g r u n d l e g e n d e n eigenen Versuche ( 1 9 3 8 ) u n d die v o n G. T H E D E N ( 1 9 4 1 ) w u r d e n d u r c h U . A M M E R ( 1 9 6 3 ) zunächst i m H i n b l i c k a u f B r a u n f ä u l e e r r e g e r w e s e n t l i c h v e r t i e f t . B e i d e n K o l l e s c h a l e n v e r s u c h e n zeigte sich eine b e m e r k e n s w e r t e P a r a l l e l i t ä t z w i s c h e n d e n G e w i c h t s v e r l u s t u n d d e n H o l z f e u c h t i g k e i t s k u r v e n . Es w i r d festgestellt, daß die g e p r ü f t e n H o l z p i l z e d u r c h V e r a t m u n g der H o l z s u b s t a n z Wasser freisetzen, w o d u r c h sie i n der L a g e sind, die H o l z f e u c h t i g k e i t entsprechend i h r e r A b b a u l e i s t u n g v o n sich aus z u beeinflussen. B e i d e n S u b s t r a t f e u c h t i g k e i t s v e r s u c h e n m i t a b g e s t u f t e n H o l z f e u c h t i g k e i t e n (15—200%) w u r d e f ü r d i e h ö h e r e n S t u f e n eine neue M e t h o d e m i t i n 6 S e g m e n t e g e t e i l t e n

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F i c h t e n h o l z b r e t t c h e n a n g e w e n d e t , die w e s e n t l i c h z u m E r f o l g der U n t e r suchungen b e i g e t r a g e n h a t . Es zeigte sich, daß d i e u n t e r e Grenze des P i l z w a c h s t u m s b e i l ä n g e r e r Versuchsdauer b e i 30 — 3 1 % H o l z f e u c h t i g k e i t l i e g t u n d daß der o p t i m a l e F e u c h t i g k e i t s b e r e i c h f ü r die e i n z e l n e n P i l z a r t e n t y p i s c h verschieden ist. Beispielsweise ist Lenzites sepiaria ( O p t i m u m 50 — 60 % ) gegen h o h e H o l z f e u c h t i g k e i t e n v e r h ä l t n i s m ä ß i g e m p f i n d l i c h , w ä h r e n d Lenzites abietina noch bis z u 210 % das H o l z zerstören kann. W e n n ich d a m i t auch die Grenze z w i s c h e n B a u - u n d Betriebsstoffwechsel überschreite, sei h i e r gleich e i n g e f ü g t , daß b e r e i t s 1960 J. WEIGL u n d H . ZIEGLER h i n s i c h t l i c h des Wasserhaushalts v o n Merulius lacrimans u n d a n d e r e n B r a u n f ä u l e e r r e g e r n fanden, daß sich d e r echte H a u s s c h w a m m g r u n d s ä t z l i c h n i c h t anders v e r h ä l t als e t w a Polyporus vaporarius u n d Coniophora cer ebella, w o m i t eine Bresche i n die alte, aber i m m e r noch v o n v i e l e n F a c h l e u t e n a u f r e c h t e r h a l t e n e T h e o r i e v o n der B e d e u t u n g der W a s s e r p r o d u k t i o n f ü r d i e G e f ä h r l i c h k e i t des H a u s s c h w a m m s geschlagen ist. A u f die p r a k t i s c h e B e d e u t u n g dieser F r a g e g e h t auch J. G. S A V O R Y ( 1 9 6 4 ) ein, der u. a. die R o l l e der S t r ä n g e b e leuchtet. M i t der G u t t a t i o n v o n H o l z p i l z e n beschäftigte sich m e h r f a c h E . SPRECHER ( 1 9 5 9 u .

U.

AMMERS

1 9 6 1 a).

Untersuchungen w u r d e n von W.

LIESE

u n d U.

AMMER

(1964)

m i t M o d e r f ä u l e p i l z e n fortgesetzt. Sie s t e l l t e n b e i i h n e n eine d e u t l i c h e Z u n a h m e der A b b a u l e i s t u n g E i n e Ceratocystis-Art

mit

ansteigender

Holzfeuchtigkeit

h a t t e z. B . i h r O p t i m u m b e i e t w a 100 %

fest. Holz-

f e u c h t i g k e i t . Schon v o r h e r h a t t e n G. THEDEN u n d M . SCHULTZE-MOTEL (1960)

für

7

S c h i m m e l p i l z e festgestellt, daß die M y z e l a u s b r e i t u n g

A g a r i n der Regel b e i e i n e r L u f t f e u c h t i g k e i t v o n

97—98

auf

% optimal war

(nicht 100 o/o). D i e zellulosezersetzenden P i l z e i n d e m K l e i n p i l z g e m i s c h Stachybotrys

atra u n d Chaetomium

globosum

v e r t r u g e n z. B . F e u c h t i g -

k e i t s m a n g e l a m schlechtesten. A m m e i s t e n z u r X e r o p h i l i e n e i g t e gillus

Asper-

amstelodami.

Das sich h i e r anschließende P r o b l e m der T r o c k e n s t a r r e der H o l z p i l z e w u r d e v o n G. T H E D E N ( 1 9 6 1 ) e i n g e h e n d s t u d i e r t . Es s t e l l t e sich b e i d e n Versuchen, d i e noch n i c h t abgeschlossen sind, heraus, daß die G e b ä u d e p i l z e Merulius lacrimalis u n d Coniophora cerebella n u r w e n i g e Jahre i n Trockenstarre verbleiben können. Bei anderen Basidiomyceten k a m e n w e s e n t l i c h l ä n g e r e Ü b e r l e b e n s z e i t e n v o r ; z. B . Poria vaporarla 7 V2 J a h r e . Schnelle T r o c k n u n g der H o l z k l ö t z c h e n h i n d e r t die P i l z e i n d e n Z u s t a n d der T r o c k e n s t a r r e ü b e r z u g e h e n . G. THEDENS A n s i c h t , daß nach d e m E r g e b n i s i h r e r Versuche die G e f a h r des W i e d e r a u f l e b e n s des echten H a u s s c h w a m m s als g e r i n g anzusehen sei, b e d a r f aber m . E. einer K o r r e k t u r . W i r w i s s e n noch nichts ü b e r die L e b e n s d a u e r b z w . das

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T r o c k e n s t a r r e v e r m ö g e n der Stränge, u n d es k o m m t auch a u f das V e r h a l t e n der S p o r e n an. D i e z u l e t z t g e n a n n t e F r a g e ist b e r e i t s d u r c h Α . T H . C Z A J A ( 1 9 5 9 ) bea n t w o r t e t w o r d e n . D a n a c h ist das b e i m H a u s s c h w a m m o f t z u beobacht e n d e W i e d e r a u f t r e t e n dieses Pilzes b e i W a s s e r e i n b r u c h i n e i n Gebäude n i c h t a u f das A u f l e b e n r u h e n d e n M y z e l s , s o n d e r n auf das A u s k e i m e n r u h e n d e r S p o r e n z u r ü c k z u f ü h r e n . Diese besitzen eine L e b e n s d a u e r , w e l c h e ü b e r die b i s h e r a n g e n o m m e n e w e i t h i n a u s g e h t . U . A M M E R ( 1 9 6 3 ) p r ü f t e nach h a l b j ä h r i g e r Versuchsdauer ebenfalls m i t p o s i t i v e m E r f o l g d i e F ä h i g k e i t der v o n i h m u n t e r s u c h t e n B a s i d i o m y c e t e n , eine T r o c k e n p e r i o d e i n a n a b i o t i s c h e m Z u s t a n d z u ü b e r d a u e r n . E r s t e l l t e fest, daß i m e i n z e l n e n U n t e r s c h i e d e i m Ü b e r d a u e r u n g s v e r m ö gen der verschiedenen P i l z e bestehen. A u c h d i e M o d e r f ä u l e p i l z e w u r d e n auf i h r e F ä h i g k e i t z u r T r o c k e n s t a r r e h i n u n t e r s u c h t . W . L I E S E u n d U . A M M E R ( 1 9 6 4 ) f a n d e n als v o r läufiges E r g e b n i s b e i 4 b e k a n n t e n A r t e n , daß diese i n der L a g e sind, m i n d e s t e n s eine h a l b j ä h r i g e T r o c k e n z e i t z u ü b e r d a u e r n . V o n den zahlreichen A r b e i t e n über den E i n f l u ß v o n Giften auf d i e H o l z p i l z e möchte ich n u r e i n i g e g r u n d l e g e n d e nennen, ohne a u f E i n z e l h e i t e n einzugehen. Sie f a l l e n j a z. T . m e h r i n das G e b i e t des Holzschutzes. M . GERSONDE zeigte 1958 i n u m f a n g r e i c h e n Versuchen, daß sogar b e i verschiedenen S t ä m m e n ( H e r k ü n f t e n ) v o n b e k a n n t e n B a s i d i o myceten deutliche Unterschiede i n Bezug auf i h r e Giftempfindlichkeit v o r k o m m e n . H i e r a u f w e i s t auch T . C. SCHEFFER 1964 h i n . N a c h C. G. DUNCAN (1960 a u. b), ist die G i f t r e s i s t e n z d e r u n t e r s u c h t e n M o d e r f ä u l e pilze u n d der B r a u n - u n d W e i ß f ä u l e e r r e g e r sehr spezifisch. M o d e r f ä u l e p i l z e s i n d i m a l l g e m e i n e n b e d e u t e n d resistenter als B a s i d i o m y c e t e n , was sich auch aus a n d e r e n A r b e i t e n e r g i b t . A l s letztes B e i s p i e l sei die A r b e i t v o n G. T H E D E N u n d M . S C H U L T Z E - M O T E L ( 1 9 6 0 ) e r w ä h n t . D i e 7 S c h i m m e l p i l z e , v o n denen schon m e h r f a c h die Rede w a r , zeigten ebenfalls u n t e r s c h i e d l i c h e G i f t e m p f i n d l i c h k e i t . B e i der A n w e n d u n g der P i l z e i n der vorgeschriebenen M i s c h s p o r e n a u f s c h w e m m u n g t r e t e n entscheidende V e r ä n d e r u n g e n d e r A r t e n - Z u s a m m e n s e t z u n g ein, w e i l die g i f t resistenten A r t e n e i n e n V o r t e i l e r h a l t e n . E i n Sondergebiet, d e m h i e r l e i d e r e b e n s o w e n i g B e a c h t u n g geschenkt w e r d e n k a n n , ist das d e r n a t ü r l i c h e n Resistenz der H ö l z e r gegen P i l z befall, die auf t o x i s c h e K e r n i n h a l t s s t o f f e zurückzuführen ist. V i e l e Forscher h a b e n sich m i t diesen i n t e r e s s a n t e n chemischen S t o f f e n u n d i h r e r W i r k u n g beschäftigt, u n d v o n m i r selbst w u r d e auch eine größere Z a h l v o n A r b e i t e n ü b e r d i e h i e r v o r l i e g e n d e n P r o b l e m e v e r öffentlicht. I n A u s t r a l i e n s i n d besonders E. W . B . DA COSTA u n d P. RUDMAN (z. B . 1 9 5 9 — 1 9 6 2 ) u n d i n d e n U S A A . B . A N D E R S O N u. a. h e r v o r g e t r e t e n . A u s z a h l r e i c h e n B ä u m e n s i n d d i e Giftstoffe e x t r a h i e r t , chemisch u n t e r -

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sucht u n d d a n n a u f i h r e p i l z h e m m e n d e n Eigenschaften g e p r ü f t w o r d e n . M a n k o n n t e sogar m i t d e n E x t r a k t e n n i c h t resistente H ö l z e r d e m P i l z a n g r i f f g e g e n ü b e r w i d e r s t a n d s f ä h i g machen. E r w ä h n e n s w e r t ist w e i t e r , daß j e t z t auch das P r o b l e m der S t i m u l a t i o n der H o l z p i l z e n ä h e r u n t e r s u c h t w i r d . M e i n Schüler G. SCHULTZED E W I T Z ( 1 9 6 1 ) h a t u n t e r A u s w e r t u n g der v o r l i e g e n d e n L i t e r a t u r die ersten g r ö ß e r e n Versuche z. B . m i t 2 B r a u n f ä u l e e r r e g e r n a n K i e f e r n s p l i n t h o l z k l ö t z c h e n d u r c h g e f ü h r t . D i e holzzerstörende T ä t i g k e i t der b e i d e n Versuchspilze w i r d v o n d e n u n t e r s u c h t e n H o l z s c h u t z m i t t e l n (u. a. verschiedenen F l u o r i d e n ) — m i t A u s n a h m e des S t e i n k o h l e n t e e r ö l s b e i Poria Vaillantii — d e u t l i c h s t i m u l i e r t , w e n n sie u n t e r s c h w e l l i g v e r w e n d e t w e r d e n . A u c h H . LYR beschäftigte sich 1963 (d) m i t diesem P r o b l e m . B e i seinen V e r s u c h e n m i t F l ü s s i g k e i t s k u l t u r e n v o n 2 B a s i d i o m y c e t e n s t e l l t e er ebenfalls fest, daß m i t G i f t e n sehr verschiedener chemischer S t r u k t u r u n d sehr verschiedener W i r k u n g s w e i s e i n g e r i n g e n D o s i e r u n g e n eine F ö r d e r u n g der M y z e l t r o c k e n s u b s t a n z - B i l d u n g e r z i e l t w e r d e n k a n n , w a s n i c h t m i t N ä h r s t o f f - oder S p u r e n e l e m e n t w i r k u n g e r k l ä r b a r ist. N i c h t u n e r w ä h n t b l e i b e n d ü r f e n schließlich die A r b e i t e n , die sich m i t der W i r k u n g von A n t i b i o t i k a a u f d i e H o l z p i l z e befassen. V i e r f ü r d e n Pflanzenschutz h e r g e s t e l l t e A n t i b i o t i k a w u r d e n i n O r i e n tierungsversuchen

mit

Agarnährböden

von

G . UBRIZSY u n d

J . VÖRÖS

g e p r ü f t . Es zeigte sich, daß die v e r w e n d e t e n B r a u n - u n d W e i ß fäuleerreger bereits durch geringe Konzentrationen i m Myzelwachstum g e h e m m t w e r d e n . N a c h M e i n u n g der A u t o r e n ist z. B . das w i r k s a m s t e A n t i b i o t i k u m A c t i d i o n aussichtsreich z u r B e k ä m p f u n g v o n H o l z p i l z e n . S . E. B E C K E R , E. S . L I S S I N A u n d R . A . M A X I M O V A ( 1 9 6 3 ) s t u d i e r t e n i n u m f a n g r e i c h e n V e r s u c h e n die A k t i v i t ä t v o n J a n t i n e l l i n , G r i s e o f u l v i n u n d T r i c h o t h e c i n gegenüber 12 B a s i d i o m y c e t e n s o w i e 24 b o d e n b e w o h n e n d e n u n d p h y t o p a t h o g e n e n F u n g i i m p e r f e c t i . Es z e i g t e n sich auch h i e r H e m m u n g s e r s c h e i n u n g e n , besonders d u r c h das aus Penicillium jantinellum g e w o n n e n e J a n t i n e l l i n . D i e russischen Forscher s i n d ebenfalls d e r M e i n u n g , daß s t a r k w i r k e n d e A n t i b i o t i k a b e i g e n ü g e n d e r S t a b i l i t ä t eine p r a k t i s c h e B e d e u t u n g f ü r d i e B e k ä m p f u n g v o n H o l z p i l z e n haben könnten. (1963)

M e i n e A u s f ü h r u n g e n w ä r e n u n v o l l s t ä n d i g , w e n n ich z u m A b s c h l u ß des ersten T e i l s n i c h t noch d i e b i o t i s c h e n F a k t o r e n e r w ä h n e n w ü r d e . I c h m e i n e d a m i t F r a g e n des Z u s a m m e n l e b e n s der Pilze, also d e n A n t a g o n i s m u s u n d S y n e r g i s m u s . V o n B e d e u t u n g ist z. B . d i e A r b e i t v o n J . K . S H I E L D S u n d E . A . A T W E L L ( 1 9 6 3 ) , d i e nachwiesen, daß Tricholoma viride das A u f k o m m e n v o n B a s i d i o m y c e t e n v o l l s t ä n d i g v e r h i n d e r n k a n n . I c h h a b e aber auch schon einige A r b e i t e n c h a r a k t e r i s i e r t , d i e interessante B e i s p i e l e b r i n g e n . So h a b e n w i r ge-

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h ö r t , daß Α . TH. CZAJA (1959) eine F ö r d e r u n g der S p o r e n k e i m u n g des H a u s s c h w a m m s d u r c h v o n K l e i n p i l z e n ausgeschiedene Stoffe ( V i t a m i n e , Säuren) festgestellt h a t . G. THEDEN u n d M . SCHULTZE-MOTEL b e r i c h t e t e n 1960, daß es b e i d e m Z u s a m m e n l e b e n der 7 f ü r d i e P r ü f u n g v o n M a t e r i a l i e n v o r g e s c h r i e b e n e n S c h i m m e l p i l z e z u m Ü b e r h a n d n e h m e n einzeln e r P i l z e j e nach d e n v o r h a n d e n e n N ä h r s t o f f e n u n d d e n v o r l i e g e n d e n T e m p e r a t u r e n k o m m t . V o n g r ö ß t e r B e d e u t u n g ist schließlich eine neue A r b e i t v o n C. G. DUNCAN u n d F. J. DEVERALL, d i e 1964 d a r a u f h i n w i e s e n , daß b e i m Schutz des Holzes i m F r e i e n d i e G i f t e n gegenüber resistent e r e n K l e i n p i l z e W e g b e r e i t e r f ü r d e n A n g r i f f v o n G r o ß p i l z e n sein können.

Betriebsstoffwechsel I c h k o m m e j e t z t z u A r b e i t e n , d i e d e n B e t r i e b s s t o f f w e c h s e l z u m Geg e n s t a n d h a b e n u n d d a m i t , w i e i c h glaube, z u d e n e i g e n t l i c h e n S c h w e r p u n k t e n der F o r s c h u n g auf d e m G e b i e t der P h y s i o l o g i e der H o l z p i l z e . E i n e größere Z a h l v o n V e r ö f f e n t l i c h u n g e n ist der B i l d u n g u n d e v e n t u ellen Ausscheidung v o n S t o f f w e c h s e l p r o d u k t e n gewidmet, d i e z. T . v o n p h a r m a z e u t i s c h e r u n d i n d u s t r i e l l e r B e d e u t u n g s i n d u n d interessante E i n b l i c k e i n die Lebensweise der P i l z e geben. D a es sich b e i d e n v o r l i e g e n d e n U n t e r s u c h u n g e n v i e l f a c h u m biochemische Spezialf r a g e n h a n d e l t , w i l l i c h h i e r n u r k u r z e A n d e u t u n g e n machen. W i r v e r d a n k e n E. SPRECHER (ab 1958 bis heute) eine größere A n z a h l v o n A r b e i t e n ü b e r die A u s s c h e i d u n g p r i m ä r e r u n d s e k u n d ä r e r S t o f f w e c h s e l p r o d u k t e , v o n d e n e n d i e ü b e r die B i l d u n g v o n Duftstoffen, die i n der Ö k o l o g i e eine R o l l e s p i e l e n u n d die m a n auch f ü r d i a g n o stische Z w e c k e v e r w e n d e t h a t , v i e l l e i c h t besonders i n t e r e s s a n t sind. V i e l e n M y k o l o g e n ist auch der N a m e J. H . BIRKINSHAW (1955 u. 1957) ein Begriff. Die B i l d u n g v o n P i g m e n t e n k l i n g t n u r gelegentl i c h i n e i n i g e n A r b e i t e n an (z. B . W . ERB, 1958). H ä u f i g e r f i n d e n w i r A n g a b e n ü b e r die Säureausscheidung. H . L Y R ( 1 9 5 9 ) s t e l l t e z. B . fest, daß v o r a l l e m d i e B r a u n f ä u l e e r r e g e r das S u b s t r a t s t a r k a n s ä u e r n ( M a x i m a l w e r t b e i Coniophora cerebella pn 2,3), w o b e i die O x a l s ä u r e b e k a n n t l i c h das h ä u f i g s t e S t o f f w e c h s e l p r o d u k t ist. E r w ä h n e n s w e r t s i n d schließlich noch z w e i V e r ö f f e n t l i c h u n g e n über die B i l d u n g v o n A n t i b i o t i k a . Die antibiotische W i r k s a m k e i t der g e l b e n F a r b s t o f f e v o n Merulius-Arten gegen verschiedene B a k t e r i e n k o n n t e W . E R B ( 1 9 5 8 ) nachweisen. S. E . B E C K E R u n d T . P. SUPRUN ( 1 9 6 3 ) haben viele A n t i b i o t i k a i n den E x t r a k t e n v o n F r u c h t k ö r p e r n z a h l r e i c h e r G r o ß - u n d i n d e n M y z e l i e n v i e l e r K l e i n p i l z e gef u n d e n u n d p r ü f t e n m i t p o s i t i v e m E r f o l g i h r e W i r k u n g gegen Paramaecium, Staphylococcus u n d Z e l l e n des E h r l i c h - K r e b s e s .

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A u s f ü h r l i c h e r müssen w i r u n s m i t d e m z e n t r a l e n T h e m a der H o l z zerstörung, d. h. m i t d e m A b b a u d e r Hauptbestandteile des Holzes, der Zellulose, der Η e m i ζ e 11 u 1 ο s e η u n d d e s L i g n i n s beschäftigen, z u m a l h i e r d i e g r ö ß t e Z a h l d e r V e r ö f f e n t l i c h u n g e n v o r l i e g t . N a c h der anfangs i m V o r d e r g r u n d stehend e n chemischen U n t e r s u c h u n g der verschiedenen F ä u l e t y p e n , d i e z u e i n e m gewissen A b s c h l u ß g e k o m m e n ist, s i n d es j e t z t d i e d a m i t i n Z u s a m m e n h a n g stehenden E n z y m e , die die Forscher i n a l l e r W e l t z u u m f a n g r e i c h e n V e r s u c h e n angeregt haben. Es i s t besonders H . LYR m i t seinen z a h l r e i c h e n u n d t i e f s c h ü r f e n d e n A r b e i t e n gewesen, d e r n u n e n d l i c h die B r ü c k e zwischen der r e i n chemischen u n d der E n z y m f o r schung geschlagen h a t . W i e e i n B l i c k i n b e r e i t s v o r l i e g e n d e Z u s a m m e n fassungen, ζ. B . v o n E . B . C O W L I N G ( 1 9 5 8 ) , zeigt, i s t d i e E n z y m f o r s c h u n g erst i n d e n d a r a u f f o l g e n d e n J a h r e n i n l e b h a f t e B e w e g u n g geraten. H . LYR u n d H . ZIEGLER (1959 b) u n d H . LYR (1959 u. 1960) n a h m e n sich zunächst e i n m a l a l l der E n z y m e b e i d e n H o l z p i l z e n , insbesondere d e n B a s i d i o m y c e t e n , an, d i e b i s h e r v o r w i e g e n d b e i d e n A l l e r w e l t s - S c h i m melpilzen untersucht wurden. B e i B r a u n - u n d Weißfäuleerregern w u r d e n 15 e x t r a z e l l u l ä r e E n z y m e w i e P e k t i n a s e , Proteinase, A m y l a s e , Tannase u s w . festgestellt u n d Q u a l i t ä t u n d Q u a n t i t ä t i n A k t i v i t ä t s k u r v e n sehr e i n d r u c k s v o l l d a r g e s t e l l t . D a b e i ist der V e r l a u f d e r E n z y m b i l d u n g b e i a l l e n P i l z e n sehr e i n h e i t l i c h . Z w i s c h e n B a s i d i o m y c e t e n u n d A s c o m y c e t e n g i b t es o f f e n b a r k e i n e g r u n d s ä t z l i c h e n Unterschiede. B e i d e n B a s i d i o m y c e t e n s t e l l t e sich a l l e r d i n g s eine d e u t l i c h e Ü b e r l e g e n h e i t der B r a u n f ä u l e e r r e g e r i n d e r G e s a m t a k t i v i t ä t heraus, w a s auch f ü r d i e E n z y m e z u t r i f f t , d i e d e n A b b a u der Z e l l u l o s e b e w i r k e n . I n der P e k t i n a s e b i l d u n g ü b e r t r e f f e n ζ. B . d i e B r a u n f ä u l e p i l z e a l l e a n d e r e n P i l z e b e i w e i t e m , u n d P r o t e i n a s e n w u r d e n besonders b e i S p l i n t h o l z b e w o h n e r n g e f u n d e n . U n t e r d e n K l e i n p i l z e n f ä l l t der h ä u f i g u n t e r suchte P i l z Trichoderma viride h i n s i c h t l i c h der A m y l a s e d u r c h h o h e M a x i m a l - u n d G e s a m t a k t i v i t ä t auf. H i e r a u s e r g i b t sich nach H . LYR d i e W a r n u n g v o r z u schnellen V e r a l l g e m e i n e r u n g e n , da i m m e r w i e d e r U n t e r s c h i e d e i n der E n z y m b i l d u n g sogar b e i S t ä m m e n der gleichen A r t z u beobachten sind. N a c h A . KÄÄRIK (1960) g i b t es b e i d e n B l ä u e p i l z e n charakteristische Unterschiede. D i e p r i m ä r e n H o l z b e s i e d l e r , also solche, d i e a m stehenden oder frisch g e f ä l l t e n B a u m v o r k o m m e n , w i e Ophiostoma canum, O. penicillatum u n d O. ulmi, s i n d i n der Lage, zahlreiche K o h l e n s t o f f q u e l l e n f ü r W a c h s t u m u n d S p o r e n b i l d u n g auszunutzen. D i e s e k u n d ä r e n B l ä u e e r r e g e r dagegen, w i e Ophiostoma coerulescens, O. galeiformis u n d O. olivaceum s o w i e Scopularia phycomyces h a b e n n u r bes c h r ä n k t e enzymatische F ä h i g k e i t e n , d i e v o r h a n d e n e n N ä h r s t o f f e z u zersetzen u n d a u f z u n e h m e n .

Physiologie der Holzpilze

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U n s i n t e r e s s i e r t n u n aber besonders, w i e es m i t d e m A b b a u der Z e l l u l o s e u n d des L i g n i n s steht. B e i d e n B a s i d i o m y c e t e n h a t sich d e r B l i c k , auch d u r c h zahlreiche E i n z e l a r b e i t e n , w e i t g e h e n d g e k l ä r t . C e 1 1 u 1 a s e η f i n d e n sich v o r a l l e m b e i d e n B r a u n f ä u l e e r r e g e r n , w a s n i c h t überrascht, da i a die B r a u n f ä u l e , w i e schon R. FALCK zeigte, t y p i s c h f ü r d e n Z e l l u l o s e a b b a u ist. U m s t r i t t e n u n d ζ. T . noch n i c h t v o l l s t ä n d i g g e k l ä r t s i n d aber die V e r h ä l t n i s s e b e i d e n A s c o m y c e t e n u n d F u n g i i m p e r f e c t i . H i n w e i s e n möchte i c h a u f eine A r b e i t v o n A . C. SCHAEFER ( 1 9 5 7 ) , der a n 1 1 4 P i l z s t ä m m e n aus 8 4 A r t e n u n d 2 6 G a t t u n g e n i n N ä h r l ö s u n g e n m i t F i l t r i e r p a p i e r u n d ζ. T . auch m i t W a t t e das C e l l u l a s e - V o r k o m m e n untersuchte. A l s a k t i v s t e G a t t u n g e n e r w i e s e n sich, n e b e n d e m B a s i d i o m y c e t e n Merulius, Aspergillus, Penicillium und Aleurisma. Ü b e r M o d e r f ä u l e p i l z e m a c h t e n J. G. SAVORY u n d L . C. PINION ( 1 9 5 8 ) s o w i e C. G . D I W C A N ( 1 9 6 0 a u. b) A n g a b e n , nach d e n e n sie i n i h r e n A b b a u l e i s t u n g e n b e i H o l z w e s e n t l i c h l a n g s a m e r als d i e B a s i d i o m y c e t e n sind. W e i t e r p r ü f t e n S. N . B A S U u n d S. N. G H O S E ( 1 9 6 0 ) 1 2 4 P i l z e a u f i h r e C e l l u l a s e - P r o d u k t i o n , w o b e i sie feststellten, daß n u r 48 A r t e n f ä h i g w a r e n , r e i n e Z e l l u l o s e anzugreifen, w ä h r e n d fast a l l e P i l z e e i n e n p o s i t i v e n E r f o l g b e i gemischten Z e l l u l o s e - S u b s t r a t e n zeigten. M a n k a n n sich also b e i A u s s a g e n ü b e r die F ä h i g k e i t verschiedener P i l z e z u m Z e l l u l o s e a n g r i f f täuschen. Sehr aufschlußreich i n diesem Z u s a m m e n h a n g s i n d schließlich die u m f a n g r e i c h e n U n t e r s u c h u n g e n v o n H . VON PECHMANN, E . GRAESSLE u n d

A . W U T Z ( 1 9 6 4 ) . D u r c h 7 v o n 1 1 w i c h t i g e n L u f t b l ä u e p i l z e n aus d e r G r u p p e der A s c o m y c e t e n u n d F u n g i i m p e r f e c t i ergab sich eine gesicherte A b n a h m e der B r u c h s c h l a g a r b e i t v o n K i e f e r n h o l z , doch w a r die S c h ä d i g u n g des Holzes i m D u r c h s c h n i t t n i c h t s c h w e r w i e g e n d , a m s t ä r k s t e n d u r c h d e n B l ä u e - u n d M o d e r f ä u l e e r r e g e r Alternaria Inumicola. Es ist daher nach d e n A u t o r e n n i c h t z u b e z w e i f e l n , daß b e i e n t sprechenden W a c h s t u m s b e d i n g u n g e n u n d g e n ü g e n d l a n g e r E i n w i r k u n g v o n diesen v e r b l a u e n d e n M o d e r f ä u l e n A b b a u e r s c h e i n u n g e n ausgelöst w e r d e n , die m a n z u t r e f f e n d als „ B l a u f ä u l e " bezeichnen k a n n . Dasselbe s t e l l t e K . S E I F E R T ( 1 9 6 4 ) auf G r u n d c h e m i s c h - a n a l y t i s c h e r U n t e r s u c h u n g e n an K i e f e r n h o l z f ü r Pullularla pullulans fest. Es f a n d e i n n i c h t sehr s t a r k e r A b b a u v o n Z e l l u l o s e u n d H e m i z e l l u l o s e n statt, w i e er auch b e i M o d e r f ä u l e p i l z e n a n N a d e l h o l z z u beobachten ist. M a n sollte sich aber nach der U n t e r s u c h u n g n u r eines B l ä u e p i l z e s d a v o r h ü t e n , v e r a l l g e m e i n e r n d v o n B l ä u e p i l z e n z u sprechen, w i e es K . SEIFERT m e h r f a c h tut. N a c h diesen U n t e r s u c h u n g e n , w e l c h e das b e s t ä t i g e n u n d u n t e r b a u e n , was

bereits

1939 W . P . K . FINDLAY u n d

C . B . PETTIFOR a u f

Grund

von

chemischen A n a l y s e n feststellten, daß es n ä m l i c h B l ä u e p i l z e g i b t , d i e w i e die tropische A r t Lasiodiplodia theobromae Zellulose anzugreifen

224

Werner Bavendamm

v e r m ö g e n , ist m . E. n u n d i e Z e i t g e k o m m e n , eine L i s t e der K l e i n p i l z e nach i h r e r G e f ä h r l i c h k e i t i m H i n b l i c k a u f die H o l z z e r s t ö r u n g b z w . - f e s t i g k e i t aufzustellen, w i e sie R. G. H . S i u 1951 i n s e i n e m B u c h „ M i c r o b i a l D e c o m p o s i t i o n of C e l l u l o s e " f ü r die Z e r s t ö r e r v o n T e x t i l i e n u n d P a p i e r b e g o n n e n hat. E i n i g e B l ä u e p i l z e , d i e z. B . a n B a u h o l z v o r k o m m e n , s i n d v e r m u t l i c h n i c h t m i t C e l l u l a s e n ausgestattet, w i e m a n auch nach e l e k t r o n e n m i k r o s k o p i s c h e n U n t e r s u c h u n g e n (z. B . v o n W . LIESE U. R. SCHMID 1964) a n n e h m e n k a n n , u n d die A k t i v i t ä t der a n d e r e n K l e i n p i l z e ist o f f e n s i c h t l i c h a u ß e r o r d e n t l i c h u n t e r s c h i e d l i c h . W e n n n u n W . P. K . FINDLAY u n d C. B . PETTIFOR sogar a n n e h m e n , daß der a n A b a c h i (Triplo chiton scleroxylon) v o r k o m m e n d e B l ä u e p i l z Lasiodiplodia theobromae n e b e n der Z e l l u l o s e auch das L i g n i n a n z u g r e i f e n i n der L a g e sei, u n d auch W . LIESE (1964) i m Gegensatz z u K . SEIFERT (1964) d a v o n spricht, daß die M o d e r f ä u l e p i l z e b e g r e n z t L i g n i n abzub a u e n v e r m ö g e n , m e l d e n sich a l l e r d i n g s Z w e i f e l . D a m i t k o m m e n w i r z u d e m besonders a k u t e n T h e m a des L i g n i n a b b a u s d u r c h B a s i d i o m y c e t e n . I n e i n i g e n A r b e i t e n w i r d d i e A n s i c h t v e r t r e t e n , daß auch B r a u n f ä u l e p i l z e a m A b b a u des L i g n i n s b e t e i l i g t seien, z. B . b e i T . H i GUCHI, J . KAWAMURA u n d H . KAWAMURA (1955 u . 1956) f ü r Merulius

lacri-

mans, b e i H . GROHN u n d W . DETERS (1959) f ü r Lenzites abietina u n d e n d l i c h b e i K . SEIFERT (1962), der b e i Coniophora cerebella von einem L i g n i n a b b a u v o n 10 °/o u n d sogar v o n e i n e r L i g n i n a s e spricht. Diese D i n g e s i n d i n z w i s c h e n a u f g e k l ä r t w o r d e n . H . LYR (1961 a) w i e s d a r a u f h i n , daß es sich v e r m u t l i c h u m das B e w e g l i c h w e r d e n v o n L i g n i n s u b s t a n z e n n i e d e r e n P o l y m e r i s a t i o n s g r a d e s i n f o l g e des Z e l l u l o s e abbaus h a n d e l t u n d daß m a n d e n i n Rede stehenden V o r g a n g a m besten m i t L i g n i n s c h w u n d bezeichnet. E. B . C O W L I N G ( 1 9 6 1 ) , der m i t d e m B r a u n f ä u l e p i l z Poria monticola arbeitete, s p r i c h t v o n e i n e r Ä n d e r u n g der L ö s l i c h k e i t des L i g n i n s b e i m Z e l l u l o s e a b b a u . A u c h R. RÖSCH ( 1 9 6 1 ) geht i n a n d e r e m Z u s a m m e n h a n g a u f diese F r a g e e i n u n d b e s p r i c h t die v o r l i e g e n d e L i t e r a t u r . E r w e n d e t sich gegen ä l t e r e U n t e r suchungen v o n G . F I S C H E R ( 1 9 5 2 u. 1 9 5 3 ) , der ü b e r ü p p i g e s M y z e l w a c h s t u m des echten H a u s s c h w a m m s auf P h e n o l l i g n i n - A g a r b e r i c h t e t h a t t e , s o w i e gegen die Ü b e r n a h m e dieser B e o b a c h t u n g d u r c h andere B i o c h e m i k e r . R. RÖSCH s t e l l t e fest, daß B r a u n f ä u l e p i l z e P h e n o l l i g n i n als a l l e i n i g e K o h l e n s t o f f q u e l l e n i c h t n u t z e n , d. h. L i g n i n n i c h t a b b a u e n k ö n n e n . B e m e r k e n s w e r t ist seine Ä u ß e r u n g , daß chemische V e r ä n d e r u n g e n des L i g n i n s nach A b b a u der K o h l e n h y d r a t e d u r c h das V o r k o m m e n einer i n t r a c e l l u l ä r e n Laccase b e i B r a u n f ä u l e p i l z e n e r k l ä r t werden kann. K o m m e n w i r n u n z u m tatsächlichen L i g n i n a b b a u d u r c h W e i ß f ä u l e erreger u n d ü b e r h a u p t z u m H o l z a b b a u . Ü b e r i s o l i e r t e P i l z e n z y m e u n d i h r e W i r k u n g a u f verschieden h e r g e s t e l l t e L i g n i n e h a b e n F . F . NORD

Physiologie der Holzpilze

225

u n d M i t a r b e i t e r v i e l e U n t e r s u c h u n g e n angestellt. D i e b e i d e n H a u p t f ä u l e t y p e n des Holzes, d i e B r a u n - u n d W e i ß f ä u l e , s i n d b e k a n n t l i c h e r s t m a l i g v o n R. FALCK u n d M i t a r b e i t e r n i n d e n z w a n z i g e r J a h r e n g e n a u s t u d i e r t u n d e r k l ä r t w o r d e n . R. FALCK f ü h r t e d a f ü r die N a m e n D e s t r u k t i o n u n d K o r r o s i o n ein. D i e z a h l r e i c h e n A r b e i t e n , d i e sich m i t der w e i t e r e n chemischen A u f k l ä r u n g dieser F ä u l e t y p e n befaßten, s i n d v o n K . S E I F E R T ( 1 9 6 2 ) , d e r auch e i n i g e eigene U n t e r s u c h u n g e n anges t e l l t h a t ( 1 9 6 2 u. 1 9 6 3 ) , d a n k e n s w e r t e r w e i s e i n einer umfassenden Literaturübersieht zusammengestellt worden. V o n d e n besonders m y k o l o g i s c h ausgerichteten U n t e r s u c h u n g e n der n e u e r e n Z e i t müssen h i e r d i e v o n W . LUTHARDT e r w ä h n t w e r d e n , der i n d e r S o w j e t z o n e D e u t s c h l a n d s 1951 e i n P a t e n t auf das sogenannte M y k o h o l z e r h i e l t , d. h. a u f d e n gesteuerten R o t b u c h e n h o l z a b b a u d u r c h W e i ß f ä u l e e r r e g e r . Das H o l z w i r d n a c h W . LUTHARDT (1959 u. 1963) l e i c h t u n d porös u n d n i m m t d a h e r b e g i e r i g F e u c h t i g k e i t u n d D ä m p f e auf, w o d u r c h es i n verschiedener Weise f ü r eine i n d u s t r i e l l e V e r w e r t u n g geeignet i s t (z. B . B l e i s t i f t h o l z ) . Die

mit

W . LUTHARDT z u s a m m e n a r b e i t e n d e n

Forscher,

wie

E.JAHN,

G. P A T S C H E K E u n d G. K E R N E R ( 1 9 6 3 ) , h a b e n diesen „ A u f l o c k e r u n g s p r o zeß" b z w . d e n B u c h e n h o l z a b b a u d u r c h d i e W e i ß f ä u l e p i l z e Pleurotus ostreatus u n d Trametes versicolor genauer s t u d i e r t . D i e chemischen A n a l y s e n , die i m V e r l a u f des Abbauprozesses gemacht w u r d e n , zeigen, daß Z e l l u l o s e , L i g n i n u n d P e n t o s a n — m i n d e s t e n s bis z u e t w a 40 °/o G e w i c h t s v e r l u s t des Holzes — g l e i c h z e i t i g abgebaut w e r d e n , so daß sich, w o r a u f schon H . LYR u n d H . ZIEGLER (1959 a) h i n w i e s e n , der 1955 v o n H . MEIER vorgeschlagene B e g r i f f d e r S i m u l t a n f ä u l e erü b r i g t . W e i ß f ä u l e ist nach H . LYR (1961 a) m e h r oder w e n i g e r i m m e r eine S i m u l t a n f ä u l e . B e r e i t s v o r E. JAHN u n d M i t a r b e i t e r n h a t ü b r i g e n s schon E. B . COW( 1 9 6 1 ) i n v o r b i l d l i c h e r Weise d e n Prozeß der W e i ß - u n d B r a u n f ä u l e m i t d e n P i l z e n Trametes versicolor u n d Poria monticola untersucht. Es zeigte sich u. a., daß der W e i ß f ä u l e e r r e g e r Trametes versicolor i n a l l e n F ä u l e s t a d i e n L i g n i n a b b a u t . D u r c h diese u n d andere A r b e i t e n , w i e z. B . v o n M . K U B I A K ( 1 9 6 3 ) , s i n d d i e chemischen V e r ä n d e r u n g e n , die d u r c h d i e h o l z z e r s t ö r e n d e n G r o ß p i l z e h e r v o r g e r u f e n werden, i m Grundsätzlichen geklärt. LING

N i c h t ganz k l a r z u sein scheint, z u w e l c h e m F ä u l e t y p die M o d e r f ä u l e p i l z e gehören. H . LYR (1961 a) bezeichnet d i e d u r c h diese P i l z e erzeugte H o l z z e r s t ö r u n g als S u b t y p der B r a u n f ä u l e , w e i l auch h i e r typischerweise, w e n n auch n i c h t so i n t e n s i v , e i n A b b a u der Z e l l u l o s e s t a t t f i n d e t . J . G . S A V O R Y u n d L . C . P I N I O N ( 1 9 5 8 ) g l a u b t e n aber, i h n e n w e g e n chemischer E i g e n t ü m l i c h k e i t e n ( A l k a l i l ö s l i c h k e i t ) eine S o n d e r s t e l l u n g e i n r ä u m e n z u müssen. N a c h K . S E I F E R T ( 1 9 6 4 ) v e r h ä l t sich d i e 15 M a t e r i a l u n d O r g a n i s m e n , B e i h e f t 1

Werner Bavendamm

226 d u r c h Pullularla

v e r u r s a c h t e B l ä u e des K i e f e r n h o l z e s w i e e i n e M o d e r -

fäule v o n n i e d r i g e m biologischen Abbaugrad. Nach diesem k l e i n e n E x k u r s w i l l ich m i c h w i e d e r schung, d. h . d e m K e r n p u n k t

der

Enzymfor-

der Stoffwechselphysiologie,

zuwenden.

Ganz außergewöhnlich große A u f m e r k s a m k e i t w u r d e den

P h e n o l -

o x y d a s e n

g e s c h e n k t , w e i l sie i r g e n d w i e m i t d e m L i g n i n a b b a u

Zusammenhang

stehen. Sie s i n d i m ganzen P f l a n z e n r e i c h

weit

breitet u n d auch i m Holz an nicht durch Pilze h e r v o r g e r u f e n e n

in

ver-

Verfär-

b u n g e n beteiligt. I h r Nachweis zu diagnostischen Z w e c k e n i n der M y k o logie

geht

bekanntlich

auf

meine

Untersuchungen

vom

Jahre

1923

zurück. M i t T a n n i n - oder G a l l u s s ä u r e - A g a r n ä h r b ö d e n k o n n t e ich nachw e i s e n , daß n a c h a u ß e n abgeschiedene O x y d a s e n n u r b e i erregern

auftreten.

Über

die

zahlreichen

Weißfäule-

Nachprüfungen,

die

fast

i m m e r eine B e s t ä t i g u n g m e i n e r B e f u n d e brachten, u n d die Verbesser u n g s v o r s c h l ä g e l i e g e n z u s a m m e n f a s s e n d e E r g ä n z u n g e n v o r , w i e z. B . v o n M . K . NOBLES

(1958).

Erwähnenswert

i s t noch, daß

H . LYR

den Zusatz v o n T a n n i n z u m Nährboden i n etwas niedrigerer t r a t i o n ( s t a t t d e r v o n m i r v o r g e s c h l a g e n e n 0,5 %> n u r 0,1 ϋ/ο) w e i l es d i e L a c c a s e b i l d u n g i n d u z i e r t ,

u n d daß

R . RÖSCH

(1958

a)

Konzenempfiehlt, statt

(1961)

S c h r ä g a g a r d i e „ S e n k r e c h t - A g a r - M e t h o d e " b e n u t z t e , w e i l sich d a d u r c h die Möglichkeit einer nahezu q u a n t i t a t i v e n Vergleichbarkeit der suchsergebnisse e r g a b . V o n I n t e r e s s e i s t auch, daß A . K Ä Ä R I K der

Prüfung

ihrer

zahlreichen

Bläuepilze

auf

Verbei

(1960)

Oxydaseausscheidung

stets e i n e n n e g a t i v e n E r f o l g h a t t e , w ä h r e n d C. G. DUNCAN (1960 a) b e i M o d e r f ä u l e p i l z e n f a n d , daß d i e P r ü f u n g a u f O x y d a s e b i l d u n g t e i l s p o s i tiv

und

teils negativ

ausfiel.

Hier

K l a r h e i t schaffen, z u m a l K . S E I F E R T

müssen weitere (1964)

Untersuchungen

die M e i n u n g vertritt,

daß

Bläuepilze keine Phenoloxydasen produzieren. Die bekanntesten Phenoloxydasen sind übrigens oxydase

Laccase,

Per-

u n d T y r o s i n a s e . D i e beiden zuerst genannten E n z y m e

s i n d e x t r a c e l l u l ä r e E n z y m e , u n d die Tyrosinase ist i m Gegensatz dazu e i n E n d o e n z y m , das h ö c h s t e n s d u r c h A u t o l y s e , G i f t e o d e r V e r l e t z u n g e n f r e i w i r d . E i n e w i c h t i g e E r k e n n t n i s i s t , daß, w i e ζ. Β . H . LYR (1958 a) a u s f ü h r t e , e i n e p o s i t i v e BAVENDAMM-Reaktion fast a u s s c h l i e ß l i c h

durch

d i e L a c c a s e h e r v o r g e r u f e n w i r d . S e h r n ü t z l i c h i s t H . LYRS T a b e l l e , d i e für

48 h o l z z e r s t ö r e n d e

Holzzersetzungstyp,

Basidiomyceten

eine

BAVENDAMM-Reaktion

und

Gegenüberstellung Enzymbildung

von

bringt.

D u r c h E i n s a t z a n d e r e r S t o f f e als T a n n i n o d e r G a l l u s s ä u r e k o n n t e H . LYR a u ß e r d e m

beachtliche Fortschritte

deutlichen Nachweises der 3 E n z y m e

hinsichtlich

U n s i n t e r e s s i e r t w e i t e r , daß d i e P e r o x y d a s e v o n nur

des l e i c h t e n

und

erzielen. H . LYR

bei einer k l e i n e n Z a h l v o n Weißfäuleerregern

(1956,

1958

(14 v o n 182

p r ü f t e n A r t e n ) n a c h g e w i e s e n w u r d e . E s s i n d das b e s o n d e r s

a)

ge-

Kernholz-

Physiologie der Holzpilze Spezialisten, z. B . i n g e r b s t o f f r e i c h e n

227

Bäumen, was Hinweise für

die

ö k o l o g i s c h e B e d e u t u n g dieses E n z y m s g i b t . D i e T y r o s i n a s e w u r d e sowohl

bei Weiß-

als a u c h b e i B r a u n f ä u l e e r r e g e r n

gefunden.

Sie

a b e r n a c h H . LYR (1958 a) n i c h t v o n u n m i t t e l b a r e r B e d e u t u n g f ü r

ist den

L i g n i n a b b a u , v o n d e m j a j e t z t d i e R e d e ist. S e h r w i c h t i g s i n d i n d i e s e m Zusammenhang

die Untersuchungen

v o n R . RÖSCH (1961), d e r

nach-

w e i s e n k o n n t e , daß i m M y z e l d e r B r a u n f ä u l e p i l z e n e b e n d e r T y r o s i n a s e e i n laccaseartiges E n d o e n z y m v o r h a n d e n ist. Diese neue Oxydase, die i n z w e i s p ä t e r e n A r b e i t e n v o n R. RÖSCH (1962 u . 1963) n ä h e r

unter-

sucht w u r d e , l ä ß t sich v o n d e r T y r o s i n a s e a b g r e n z e n . D u r c h das V o r k o m m e n u n d die F r e i s e t z u n g dieser i n t r a c e l l u l ä r e n O x y d a s e sich j e t z t g u t d i e U n k l a r h e i t e n b z w . G r e n z f ä l l e , Anwendung

der

BAVENDAMM-Reaktion

erklären

die gelegentlich

aufgetreten

waren. Wer

bei über

alle hier b e r ü h r t e n T h e m e n zusammenfassend unterrichtet sein möchte, d e r sei a u f d i e a u s g e z e i c h n e t e Ü b e r s i c h t v o n H . LYR (1961 a) a u f m e r k s a m g e m a c h t . Es e r g i b t sich h i e r a u s , daß ü b e r d i e

ligninabbauenden

E n z y m e n o c h n i c h t s b e k a n n t i s t . Es g i b t w o h l k e i n e s p e z i f i s c h e n

Lig-

n i n a s e n , w i e m a n f r ü h e r e i n m a l a n g e n o m m e n h a t , s o n d e r n es h a n d e l t sich u m e i n e n E n z y m k o m p l e x , b e i d e m a b e r P o l y p h e n o l o x y d a s e n ,

und

z w a r Laccase u n d Peroxydase, a l l e r W a h r s c h e i n l i c h k e i t nach eine R o l l e spielen. H i e r

erwarten

wir

also m i t

Spannung weitere

Forschungs-

ergebnisse. B e i der

intensiven Bearbeitung

des P r o b l e m s

der

Holzzerstörung

u n d d e r d a b e i w i r k s a m e n E n z y m e s t e l l t e sich s c h l i e ß l i c h n o c h e t w a s h e r a u s , w a s a u c h f ü r d i e P r a x i s des H o l z s c h u t z e s v o n B e d e u t u n g i s t u n d w a s a u c h schon i n d e r p h y t o p a t h o l o g i s c h e n F o r s c h u n g B e a c h t u n g g e f u n d e n h a t . H . LYR (1958 b) w i e s d a r a u f h i n , daß d i e L a c c a s e b i l d u n g der Weißfäuleerreger auf einigen N ä h r b ö d e n durch Zusatz b e s t i m m t e r C h e m i k a l i e n s t a r k z u s t i m u l i e r e n i s t . A l s w i r k s a m e r w i e s e n sich n e b e n S ä u r e n des Z i t r o n e n s ä u r e - Z y k l u s und

2,6-Dinitro-o-Kresol.

u n d T a n n i n z. B .

Pentachlorphenol

wurde

Pentachlorphenol d u r c h H . LYR u n d

H . ZIEGLER (1959 a) n ä h e r s t u d i e r t , u n d 1961 (a, b u . c) w u r d e n d a n n v o n H . LYR a u c h d i e f u n g i z i d e n K e r n i n h a l t s s t o f f e u n d a n d e r e E n z y m e

mit

i n d i e U n t e r s u c h u n g e n e i n b e z o g e n . Es s t e l l t e sich h e r a u s , daß d i e e i n zelnen E n z y m e eine verschieden große gen

Gifte

E m p f i n d l i c h k e i t

z e i c h n e t e n E r s c h e i n u n g e n e r k l ä r t . H . LYR v e r ö f f e n t l i c h t e interessante

ge-

besitzen, was die i m A b s c h n i t t Baustoffwechsel g e k e n n Tabelle

über die vorliegenden

1961 (c) e i n e

Verhältnisse.

So

hemmt

b e i s p i e l s w e i s e das i m H o l z s c h u t z v i e l v e r w e n d e t e N a F b e s o n d e r s Laccase, w ä h r e n d N a - A r s e n i t v o r a l l e m a u f C e l l u l a s e u n d

die

Pektinase

h e m m e n d w i r k t . V o n d e n K e r n i n h a l t s s t o f f e n e r w i e s sich a u c h i n d i e s e n V e r s u c h e n das P i n o s y l v i n als s e h r g i f t i g . H . LYR s t e l l t e fest, daß es durch E n t k o p p l u n g der o x y d a t i v e n Phosphorylierung zu einer 15*

„Leer-

Werner Bavendamm

228

a t m u n g " der P i l z e k o m m t . Diese C h e m i k a l i e n w e r d e n d a h e r als E n t k o p p l u n g s g i f t e bezeichnet. I n w e i t e r e n A r b e i t e n (1962 u. 1963 c) w u r d e d a n n der D e t o x i f i k a t i o n d u r c h d i e o x y d i e r e n d e n E n z y m e gen a u e r nachgegangen, u n d es ergaben sich b e m e r k e n s w e r t e U n t e r schiede zwischen d e n W e i ß - u n d B r a u n f ä u l e e r r e g e r n . R. RÖSCH h a t 1965 einen wichtigen B e i t r a g hierzu geliefert. M i t diesen g r u n d l e g e n d e n U n t e r s u c h u n g e n h a t H . LYR n i c h t n u r A n r e g u n g e n f ü r die E n t w i c k l u n g besonders w i r k s a m e r H o l z s c h u t z m i t t e l gegeben — e i n ideales H o l z s c h u t z m i t t e l s o l l eine s t a r k e W i r k u n g a u f die E n z y m e u n d eine g e r i n g e A b b a u r a t e h a b e n — , s o n d e r n auch die biochemischen G r u n d l a g e n z u r A u f k l ä r u n g der K e r n h o l z z e r s t ö r u n g geschaffen, m i t der sich andere Forscher beschäftigen. Das P r o b l e m d e r n a t ü r l i c h e n Resistenz der H ö l z e r w i r d also auch e r f o l g r e i c h v o n d e r E n z y m f o r s c h u n g h e r angegangen. A u c h i n d e r N a t u r s i n d o x y d i e r e n d e E n z y m e a n der E n t g i f t u n g der K e r n h o l z t o x i n e b e t e i l i g t , w a s f ü r die Ö k o l o g i e d e r H o l z p i l z e v o n B e d e u t u n g ist. B e i d e n E n z y m e n e r g i b t sich s o m i t als neue E r k e n n t n i s , daß w i r d i e O x y d a s e n als m u l t i f u n k t i o n e l l e E n z y m e anzusehen haben, d i e n i c h t n u r entscheidend an den e i n l e i t e n d e n Prozessen des L i g n i n a b b a u s b e t e i l i g t sind. W e r d e n diese U n t e r s u c h u n g e n a u f die K l e i n p i l z e ausgedehnt, d i e G i f t e n gegenüber v i e l resistenter sind, w i e w i r h ö r t e n , h a b e n w i r z w e i f e l l o s interessante Ergebnisse z u e r w a r t e n . D a m i t k o m m e ich z u m A b s c h l u ß m e i n e r A u s f ü h r u n g e n . D e r V o l l s t ä n d i g k e i t w e g e n m u ß ich noch d a r a u f h i n w e i s e n , daß die O x y d a s e n auch das Interesse d e r B o d e n k u n d l e r g e f u n d e n h a b e n (vgl. z. B . W . FLAIG

und

K . HAIDER

1961).

Schon

die

Mykologen

C . WEHMER

und

R. FALCK h a b e n sich i n d e n z w a n z i g e r J a h r e n i m H i n b l i c k a u f d e n A b b a u der L a u b - u n d N a d e l s t r e u m i t der U m w a n d l u n g v o n L i g n i n u n d Z e l l u l o s e i n H u m i n s t o f f e beschäftigt. D e m A b b a u d e r Η u m i n s ä u r e n i s t m a n i n E n g l a n d nachgegangen. P. LATTER u n d A . BURGES (1960) setzten H u m u s s ä u r e d e m A g a r z u u n d f a n d e n b e i G r o ß u n d K l e i n p i l z e n eine d u r c h Z e r s e t z u n g dieser S t o f f e e n t f ä r b t e Zone, w o m i t w i r w i e d e r a u f eine E n z y m w i r k u n g g e k o m m e n sind. Schon f r ü h e r b e r i c h t e t e n verschiedene Forscher v o n A g a r - u n d F a r b s t o f f ausbleichungen. P. LATTER u n d A . BURGES p r ü f t e n d i e a b b a u e n d e F ä h i g k e i t der P i l z e m i t N e u t r a l r o t . Dieser F a r b s t o f f w u r d e ebenso e n t f ä r b t w i e d i e H u m u s s ä u r e . I n t e r e s s a n t ist, daß e i n W e i ß f ä u l e e r r e g e r (Polystictus) 70 °/o u n d eine Penicillium-Art n u r 30 % d e r H u m i n s ä u r e abbauten. H . M . HURST, A . BURGES u n d P . LATTER z e i g t e n 1 9 6 2 a n 29 P i l z e n (25

B a s i d i o m y c e t e n , 1 A s c o m y c e t u n d 3 F u n g i i m p e r f e c t i ) , daß es sich b e i der Z e r s e t z u n g v o n H u m u s s ä u r e n u m e i n e n a n das V o r h a n d e n s e i n v o n Sauerstoff g e b u n d e n e n Prozeß h a n d e l t , w a s f r ü h e r e A n g a b e n v o n

Physiologie der Holzpilze

229

ergänzt, d e r P h e n o l o x y d a s e n d a f ü r v e r a n t w o r t l i c h macht. A u f f ä l l i g ist, daß — m i t w e n i g e n A u s n a h m e n — v o r w i e g e n d W e i ß f ä u l e e r r e g e r eine s t a r k e W i r k u n g zeigten. D i e E n z y m f o r s c h e r w e r d e n h o f f e n t l i c h die D i n g e n ä h e r untersuchen, da w i r , w e n n i c h r i c h t i g u n t e r r i c h t e t b i n , noch v e r h ä l t n i s m ä ß i g w e n i g ü b e r Reduktasen wissen, d i e doch w o h l b e i E n t f ä r b u n g s e r s c h e i n u n g e n m i t z u b e r ü c k sichtigen sind. E. SPRECHER h a t i n l e t z t e r Z e i t a n g e k ü n d i g t , daß er diese E n z y m e , die er b e i seinen S t o f f w e c h s e l u n t e r s u c h u n g e n f a n d , n ä h e r s t u d i e r e n w i l l . Ü b e r die E n t f ä r b u n g v o n R e d o x i n d i k a t o r e n d u r c h Merulius-Arten b e r i c h t e t e bereits W . E R B ( 1 9 5 8 ) . K . L A W (1950)

A u f e i n e m a n d e r e n B l a t t stehen, sofern i c h das als N i c h t s p e z i a l i s t z u t r e f f e n d b e u r t e i l e , H o l z e n t f ä r b u n g e n , v o n d e n e n z. B . H . LYR u n d H . ZIEGLER (1959 b) u n d H . LYR (1961 a) berichten. N a c h i h r e n A n g a b e n w i r d W e i ß f ä u l e i n erster L i n i e d u r c h d e n o x y d a t i v e n A b b a u v o n bräunlich gefärbten Gerbstoffen u n d anderen oxydierten PolyphenolD e r i v a t e n h e r v o r g e r u f e n , w o d u r c h es z u e i n e m B l e i c h u n g s e f f e k t kommt.

Schluß Ü b e r b l i c k e n w i r zusammenfassend das h i e r V o r g e t r a g e n e , so k ö n n e n w i r m . E. m i t d e m A u f s c h w u n g z u f r i e d e n sein, d e n d i e E r f o r s c h u n g p h y s i o l o g i s c h e r F r a g e n b e i d e n H o l z p i l z e n i n d e n l e t z t e n 10 J a h r e n g e n o m m e n h a t . D u r c h d i e Z u s a m m e n a r b e i t der M y k o l o g e n m i t den B i o c h e m i k e r n s i n d besonders große E r f o l g e b e i der A u f k l ä r u n g der A b b a u l e i s t u n g e n der a m H o l z a u f t r e t e n d e n G r o ß - u n d K l e i n p i l z e e r z i e l t w o r d e n . D i e P r a x i s w i r d d u r c h die A u s w e r t u n g d e r G r u n d l a g e n forschung v o r a u s s i c h t l i c h neue I m p u l s e e r h a l t e n u n d m a n c h e n N u t z e n aus d e r n u n m ö g l i c h e n e n d g ü l t i g e n B e a n t w o r t u n g v i e l e r noch b i s i n die l e t z t e Z e i t h i n e i n offener F r a g e n z i e h e n k ö n n e n . M i t F r e u d e stelle ich auch fest, daß w i r d u r c h die A b h a l t u n g des S y m p o s i u m s e i n e n g r o ß e n S c h r i t t v o r w ä r t s g e t a n h a b e n zu e i n e r b i s h e r f e h l e n d e n w i r k l i c h e n H o l z p a t h o l o g i e , w i e ich sie a u f der 8. I n t e r n a t i o n a l e n H o l z s c h u t z t a g u n g i n F r e i b u r g i. B . 1963 n ä h e r gekennzeichnet habe.

Zusammenfassung Es w i r d ein allgemeiner Überblick über die Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Physiologie der Holzpilze gegeben, die i n den letzten zehn Jahren erzielt wurden. Besprochen werden konnten n u r die größeren, vielfach m i t mehreren Pilzen und manchmal über Jahre hinweg fortgeführten Arbeiten, welche von besonderer Bedeutung sind und Anlaß zu einer Diskussion geben könnten. Es handelt sich hauptsächlich u m Laboratoriumsuntersuchungen m i t künstlichen Nährböden, wobei Groß- und Kleinpilze i n gleicher Weise be-

230

Werner Bavendamm

rücksichtigt wurden. I m Abschnitt „Baustoffwechsel" w i r d kurz auf die E r nährung und K u l t u r der Pilze eingegangen, und etwas ausführlicher w i r d der Einfluß der äußeren Bedingungen behandelt. Neben den physikalischen Faktoren sind es vor allem die chemischen Faktoren, denen Beachtung geschenkt w i r d (z. B. Holzfeuchtigkeit u n d Trockenstarre sowie Gifte einschließlich Stimulation). I m folgenden Abschnitt „Betriebsstoffwechsel" ist nach kurzer Behandlung verschiedener Stoffwechselprodukte (z. B. Duftstoffe u n d Antibiotika) bevorzugter Gegenstand der Darlegungen der A b b a u des Holzes bei den verschiedenen Fäuletypen. Eingehend werden dabei die neuesten Ergebnisse der Enzymforschung, besonders hinsichtlich der Cellulasen u n d Phenoloxydasen, besprochen. Schließlich werden noch die Probleme der Detoxifikation u n d des Abbaues der Huminsäure gestreift.

Summary The physiology of wood fungi A survey on recent research results I n a general survey over the more recent results i n the research on the physiology of wood fungi, the important and more extensive publications which are l i k e l y to raise discussion are selected. This paper deals w i t h laboratory investigations m a k i n g use of artificial nutrient media, considering macro- u n d m i c r o - f u n g i likewise. The section of "Synthetic metabolism" briefly deals w i t h n u t r i t i o n and cultivation of fungi, and gives a few details on the influence of external conditions. Besides physical factors, special attention is paid to chemical factors (e. g. moisture content of wood, s u r v i v a l of periods of extreme aridity, as w e l l as effects of poisons, including s t i m u lation). I n the following section of "Change metabolism" some metabolic products (e. g. fragrance substances and antibiotics) are mentioned, and details are given about the degradation of wood by the different types of rot, inclusive of the more recent results i n enzymological research (cellulases and phenol oxidases). F i n a l l y problems of detoxification and of decomposition of humic acid are hinted to.

Résumé La Physiologie des champignons lignicoles Un résumé des résultats des recherches récentes E n résumant les résultats plus récents des recherches sur le domaine de la Physiologie des champignons lignicoles, i l fallait élire les publications d ' i m portance, probablement faisant sujet de discussion. I l s'agit là de recherches au laboratoire avec champignons grandes et petites à m i l i e u artificiel. L a section du « Métabolisme constitutif » donne l'abrégé de la n u t r i t i o n et culture des Champignons et des détails sur les influences des conditions extérieures. A part les facteurs physiques, i l s'agit de facteurs chimiques (p. ex. de l'humidité du bois, de la survie d'aridité, des toxiques, y compris la s t i m u lation). L a section suivant du « Métabolisme de fonction » donne u n abrégé sur les produits du métabolisme (p. ex. matières odorantes, antibiotiques) et alors une description de la dégradation d u bois par divers types de pour-

Physiologie der Holzpilze

231

riture, considérant les résultats plus récents des recherches enzymatiques (cellulases et phénoloxydases). A la fin, mention est faite des problèmes de détoxification et de décomposition d'acide humique.

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Anschrift des Verfassers: Prof. Dr.

WERNER BAVENDAMM

2057 Reinbek, Klosterbergenstr. 18 Bundesrepublik Deutschland

D e r E i n f l u ß der T e m p e r a t u r auf das Wachstum v o n B l ä u e p i l z e n Von

H . VON P E C H M A N N

I n s t i t u t für Holzkunde u n d Forstnutzung der Forstlichen Forschungsanstalt München (Deutschland)

Daß d i e A u s b r e i t u n g v o n B l ä u e p i l z e n i m H o l z n e b e n a n d e r e n U m ständen, w i e v o r a l l e m der H o l z f e u c h t i g k e i t , w e i t g e h e n d v o n der T e m p e r a t u r b e s t i m m t w i r d , ist b e k a n n t (T. LAGERBERG, G. LUNDBERG u. E. MELIN,

1927;

R . M . LINDGREN,

1942;

Y . NISIKADO

U. K . Y A M A U T I ,

1934;

Ü b e r die W ä r m e a n s p r ü c h e der a n der V e r b l a u u n g b e t e i l i g t e n P i l z a r t e n bestehen aber noch U n k l a r h e i t e n . F ü r die V e r h ü t u n g v o n B l ä u e s c h ä d e n ist es d a h e r w i c h t i g , d i e T e m p e r a t u r bereiche z u k e n n e n , b e i d e n e n e i n o p t i m a l e s W a c h s t u m der P i l z e d i e A u s b r e i t u n g der I n f e k t i o n a m m e i s t e n f ö r d e r t , w i e aber auch die höchsten u n d n i e d r i g s t e n T e m p e r a t u r e n , die v o n d e n P i l z e n noch v e r tragen werden.

E . TAROCINSKY,

1962).

I n W a l d g e b i e t e n m i t g e m ä ß i g t e m K l i m a b l e i b t lagerndes K i e f e r n h o l z auch i n der k ü h l e r e n Jahreszeit n i c h t m i t S i c h e r h e i t v o n Bläueschäden verschont. D a h e r ist die F r a g e v o n B e d e u t u n g , i n w i e w e i t auch noch b e i n i e d r i g e n T e m p e r a t u r e n e i n W a c h s t u m v o n B l ä u e p i l z e n stattfindet, w i e diese P i l z e auf e i n e n p l ö t z l i c h e n K ä l t e e i n b r u c h r e a g i e r e n u n d ob e t w a d u r c h s t r e n g e n F r o s t eine S c h ä d i g u n g der B l ä u e p i l z e v e r u r s a c h t w i r d . Z u r K l ä r u n g dieser F r a g e n ist eine A n z a h l v o n P i l z a r t e n b e i gestaffelten

Temperaturen

und

unterschiedlichen

Versuchszeiten

beobachtet

w o r d e n . F ü r die Versuche w u r d e n v o r a l l e m R e i n k u l t u r e n v o n solchen P i l z a r t e n b e n u t z t , d i e b e i vorausgegangenen,

ziemlich

ausgedehnten

S p o r e n f l u g u n t e r s u c h u n g e n u n d A b i m p f u n g e n aus l a g e r n d e m , v e r b l a u t e m K i e f e r n h o l z i n S ü d d e u t s c h l a n d ( H . VON PECHMANN, E . GRAESSLE u n d

A . WUTZ, 1964) h ä u f i g v o r k a m e n . Es h a n d e l t sich u m f o l g e n d e A r t e n : Ceratocystis pilifera (Fries) C. M o r e a u , C. piceae (Münch) B a k s h i , C. minor (Hedge.) H u n t , C. coerulescens (Münch) B a k s h i , C. penicillata (Grosm.) C. M o r e a u , Scopularia Lundbergii (Lagerb. et M e l i n ) G. Goid., corsicana v. B e y m a , Leptographium (Scopularia) phycomyces

238

Η . von Pechmann

( A u e r s w . ) G r o s m . 1 , Aureobasidium pullulans O u d e m a n s 1 , A. tenuis auct. narla humicola herbarum L i n k ex Fries, C. cladosporioides phora fastigiata (Lagerb. et M e l i n ) C o n a n t (Desm.) P e t r . et S y d .

(de B a r y ) A r n a u d 1 , Altersensu lato, Cladosporium (Fres.) de V r i e s , Phialou n d Macrophoma pinea

Als Maßstab für die Wüchsigkeit der Pilze diente die Längenausdehnung des Pilzmyzels i n einem Malzagarröhrchen. Der Agar wurde dazu m i t Sporen oder Pilzmyzel beimpft, auf die Rückseite der Beimpfungsstelle ein kleiner Papierstreifen geklebt u n d von diesem aus dann jeweils i n geeigneten Zeitabständen die Längenausdehnung des Pilzrasens gemessen. Sicherheitshalber wurde immer der Meßmittelwert aus zwei Röhrchen benutzt. E i n s c h r ä n k e n d m u ß v o n v o r n e h e r e i n b e m e r k t w e r d e n , daß v o n j e d e r u n t e r s u c h t e n P i l z a r t i m m e r n u r e i n S t a m m v e r w e n d e t w u r d e ; es ist also a n z u n e h m e n , daß U n t e r s u c h u n g e n m i t w e i t e r e n S t ä m m e n e t w a s a b w e i c h e n d e Ergebnisse b r i n g e n k ö n n t e n . Sogar eine W i e d e r h o l u n g des Versuchs nach e i n e m gewissen Z e i t r a u m m i t d e m s e l b e n P i l z s t a m m k a n n u n t e r U m s t ä n d e n g e r i n g f ü g i g e A b w e i c h u n g e n ergeben. A u ß e r d e m w i r d b e i d e r a n g e w e n d e t e n M e t h o d e d i e D i c h t e des M y z e l s n i c h t berücksicht i g t . Sehr schnell wachsende A r t e n w i e Ceratocystis coerulescens, Cera tocystis penicillata, Scopularia Lundbergii oder Macrophoma pinea wachsen b e i n i e d e r e r T e m p e r a t u r w o h l i n die L ä n g e , aber m i t sehr z a r t e m , k a u m s i c h t b a r e m M y z e l , w ä h r e n d andere A r t e n w i e Alternaria das L ä n g e n w a c h s t u m sehr einschränken, d a f ü r a n D i c h t e zulegen, so daß die K u l t u r fast h a l b k u g e l f ö r m i g w i r d . I n F i g . 1 w e r d e n d i e w i c h t i g s t e n Ergebnisse der T e m p e r a t u r v e r s u c h e f ü r 15 B l ä u e p i l z a r t e n zusammengefaßt. Es h a n d e l t sich d a b e i u m B e o b a c h t u n g e n a n frischen Ü b e r i m p f u n g e n , die sofort der V e r s u c h s t e m p e r a t u r ausgesetzt w u r d e n . D i e schwarzen Q u e r b a l k e n v e r a n s c h a u l i c h e n d e n gesamten Temperaturbereich, i n dem überhaupt ein Wachstum v o r k o m m t , w ä h r e n d d i e d a r u n t e r eingezeichneten w e i ß e n B a l k e n die S p a n n e anzeigen, i n n e r h a l b der die P i l z e i m A b l a u f v o n 10 T a g e n z u wachsen v e r m ö g e n . F ü r j e d e A r t i s t f e r n e r gekennzeichnet, w o i h r O p t i m u m l i e g t u n d w e l c h e L ä n g e n e n t w i c k l u n g ( m m i n 10 Tagen) sie b e i dieser T e m p e r a t u r a u f w e i s t . B e i der u n t e r e n T e m p e r a t u r g r e n z e r a g t der schwarze B a l k e n i n a l l e n F ä l l e n ü b e r d e n w e i ß e n B a l k e n h i n aus; das bedeutet, daß d i e P i l z ü b e r i m p f u n g e n b e i diesen n i e d r i g e n T e m p e r a t u r e n erst nach e i n e r gewissen W a r t e z e i t , e i n e r Latenzphase, d i e l ä n g e r als 10 Tage dauerte, noch z u wachsen b e g o n n e n haben. D i e F i g u r zeigt, daß es P i l z a r t e n g i b t , d e r e n W a c h s t u m i n n e r h a l b eines r e l a t i v g r o ß e n T e m p e r a t u r b e r e i c h s m ö g l i c h ist, w i e v o r a l l e m Ceratocystis minor, Alternaria humicola u n d A. tenuis , andere dagegen 1

Stämme aus dem Centraalbureau voor Schimmelkultures, Baarn, Nederland; die übrigen Stämme stammen aus selbst gewonnenen Reinkulturen.

Einfluß der Temperatur auf das Wachstum von Bläuepilzen

239

Ceratocystis pilifera

V

piceae

78

minor 150

"

coerulescens 200

penici Hat a Scopularia Lundbergii 100

··

corsicana

Leptograph. phycomyces Alternaria

6,0

humicola

6,5

"

tenuis

Cladosporium herbarum "

cladosporioid.

Phialophora fastigiata Aureobasidium pullulans 160

Macrophoma

pinea

-10

0

10

20

30 40°C

Temperat u r

Fig. 1. Temperaturbereiche für das Wachstum v e r schiedener Bläuepilze. gedeihen n u r i n n e r h a l b e i n e r sehr engen T e m p e r a t u r s p a n n e , w i e z. B . Ceratocystis penicillata, Scopularia corsicana u n d besonders Leptographium phycomyces. D i e O p t i m a l t e m p e r a t u r e n l i e g e n d u r c h w e g zwischen 20 u n d 28° C. Verhältnismäßig hohe Wärmeansprüche m i t einem O p t i m u m v o n etwa 28° C s t e l l e n Alternaria tenuis u n d humicola. A n d e r e A r t e n , insbesondere Cladosporium herbarum u n d Cladosporium cladosporioides, schein e n sich h i n g e g e n i n k ü h l e r e m K l i m a w o h l e r z u f ü h l e n u n d wachsen a m besten b e i 20° C. H i t z e e m p f i n d l i c h s i n d v o r a l l e m Scopularia Lundbergii u n d Scopularia corsicana, Leptographium phycomyces, die Cladosporium· A r t e n u n d Phialophora fastigiata, aber auch Ceratocystis pilifera u n d coerulescens, die schon b e i 32—33° C i h r W a c h s t u m e i n stellen, w ä h r e n d Macrophoma pinea — der gegen H i t z e v o n a l l e n u n t e r suchten A r t e n a m w e n i g s t e n e m p f i n d l i c h e B l ä u e p i l z — noch b e i 40° C

240

Η . von Pechmann

z u wachsen v e r m a g . Ü b e r r a s c h e n d i s t d e m g e g e n ü b e r , daß die B l ä u e p i l z e b e i n i e d e r e n T e m p e r a t u r e n noch r e l a t i v g u t gedeihen. N o c h 15° u n t e r d e m O p t i m u m ist das W a c h s t u m d e r m e i s t e n A r t e n z i e m l i c h l e b h a f t , u n d erst b e i w i n t e r l i c h e n T e m p e r a t u r e n s i n k t es a u f g e r i n g e W e r t e ab. Selbst b e i 0° C wachsen a l l e u n t e r s u c h t e n B l ä u e p i l z e , w e n n auch b e d e u t e n d l a n g s a m e r , w e i t e r . Scopularia Lundbergii und Ceratocystis minor b r i n g e n es b e i A b k ü h l u n g auf 0° C noch auf eine L ä n g e n a u s d e h n u n g v o n 4—6 m m i n 10 Tagen. Selbst u n t e r d e m G e f r i e r p u n k t w i r d das W a c h s t u m noch n i c h t v ö l l i g eingestellt, w a s f ü r m e h r e r e P i l z a r t e n schon b e i f r ü h e r e n U n t e r s u c h u n g e n beobachtet w u r d e (E. RENNERFELT, 1937). Es setzt sich bis — 3° C f o r t , w e n n auch n u r i n sehr g e r i n g e m Ausmaß. F ü r die P r a x i s n i c h t u n w e s e n t l i c h ist die B e o b a c h t u n g , daß v o n e i n i g e n d e r w i c h t i g s t e n B l ä u e e r r e g e r n , n ä m l i c h Ceratocystis pilifera, piceae u n d minor noch u n t e r d e m G e f r i e r p u n k t K o n i d i e n g e b i l d e t w e r d e n .

Temperatur

Fig. 2. Unterschiedliche Wuchsgeschwindigkeit von zwei Bläuepilzen i n Abhängigkeit von der Temperatur a) i n den ersten 10 Tagen nach der Beimpfung, b) i n einer 10-Tagesperiode nach angelaufenem Wachstum.

Einfluß der Temperatur auf das Wachstum von Bläuepilzen

241

W i r d ü b e r der T e m p e r a t u r als Abszisse d i e W u c h s l e i s t u n g einer P i l z a r t f ü r eine g e n ü g e n d e Z a h l v o n T e m p e r a t u r s t u f e n aufgetragen, so e r geben sich K u r v e n , aus denen der m e i s t n u r enge B e r e i c h o p t i m a l e n Gedeihens, der d u r c h s t e i l e n A b f a l l gekennzeichnete s t a r k h e m m e n d e E i n f l u ß der H i t z e u n d d i e w e i t bessere V e r t r ä g l i c h k e i t n i e d r i g e r T e m p e r a t u r e n d e u t l i c h i n E r s c h e i n u n g t r i t t . E i n e solche O p t i m u m k u r v e w i r d i n F i g . 2 f ü r z w e i P i l z a r t e n gezeigt. A u c h h i e r k a m e n frische Ü b e r i m p f u n g e n z u r V e r w e n d u n g , die sofort der V e r s u c h s t e m p e r a t u r ausgesetzt w u r d e n . D i e o b e r e n K u r v e n (a) zeigen das W a c h s t u m s v e r h a l t e n der P i l z e i n d e n ersten 10 Tagen. I n d e n u n t e r e n K u r v e n (b) w i r d v o n der W a c h s t u m s g e s c h w i n d i g k e i t i n einer 10-Tages-Periode nach b e r e i t s e r f o l g t e m A n w a c h s e n ausgegangen. I n b e i d e n F ä l l e n e r g i b t sich dasselbe O p t i m u m u n d e i n ä h n l i c h e r V e r lauf bei den höheren Temperaturstufen. Bei den niedrigen Temperat u r e n h i n g e g e n erscheint der W a c h s t u m s b e r e i c h f ü r die ersten 10 T a g e d e u t l i c h eingeschränkt, da h i e r die A n l a u f z e i t u n t e r h a l b e i n e r gewissen T e m p e r a t u r g r e n z e l ä n g e r als 10 Tage dauerte. W e r d e n frische Ü b e r i m p f u n g e n sofort, b e v o r eine S p o r e n k e i m u n g b z w . e i n A n w a c h s e n des ü b e r t r a g e n e n M y z e l s m ö g l i c h w a r , t i e f e n T e m p e r a t u r e n ausgesetzt, so zeigen sie g e g e n ü b e r schon e n t w i c k e l t e n K u l t u r e n m e i s t eine b e t r ä c h t l i c h e W a c h s t u m s v e r z ö g e r u n g . D i e e i n z e l n e n P i l z e v e r h a l t e n sich d a b e i recht u n t e r s c h i e d l i c h , w i e auch aus d e n d r e i folgenden Figuren hervorgeht. Phialophora mm E 10

U) r.ο Ο

Ξ

fastigiata

r\or ο-- 0 "'

0

10 - 2 . 5 on

L

0

Ο---"0"" ο-—

Cladosporium herbarum

0

10 20 30 40 50 Tage Versuchsdauer

60

• sogleich nach Überimpfung der Kälte ausgesetzt •nach Vorentwicklung bei 23°C der Kälte ausgesetzt

16 M a t e r i a l u n d O r g a n i s m e n , B e i h e f t 1

Fig. 3. Wachstum von Bläuepilzkulturen bei niederen Temperaturen. Vergleich zwischen sofort nach Überimpfung der K ä l t e ausgesetzten u n d zuerst bei 23° C vorentwickelten K u l turen.

Η . von Pechmann

242 mm 30 20

Ceratocystis minor

I

0eC

E 10

ιΛ 5

Cr—"""

ο

Ο

- 2 .5°C

Ξ

--ο--"

10 Ceratocystis

ο

E

mm 20 10

D

^

0 °c

,j>·

o·*'"

0

υ

pilifera

]I

e

- 2 .5 C

σ

5 io -Cr ·

10

ο •

o £

0

50 60 70 Versuchsdauer

80

90

100

sogleich nach Überimpfung der Kälte ausgesetzt nach Vorentwicklung bei 23°C "

I

0 •c

20 io

30 A0 Tage

Ceratocystis coerulescens

mm 30

I

20

/

(f

- 2 . 5eC

10

0 mm 20

Ceratocystis penici I lata I 0* »C

E 10

Ό ω •5 ο Ο

--2.

Ξ 10 0

cop

Ό V^

10

20 30 40 50 Tage Versuchsdauer

60

Fig. 4 (oben) u. 5 (unten). Wachstum von Bläuepilzkulturen bei niederen Temperaturen. Vergleich zwischen sofort nach Uberimpfung der K ä l t e ausgesetzten und zuerst bei 23° C vorentwickelten K u l t u r e n .

Einfluß der Temperatur auf das Wachstum von Bläuepilzen

243

F r i s c h i n f e k t i o n e n m i t Cladosporium herbarum w a r e n b e i 0° C b e r e i t s nach e i n e r Woche i m W a c h s t u m begriffen, das sich langsam, aber g l e i c h m ä ß i g w e i t e r fortsetzte; auch b e i —2,5° C b r a u c h t dieser P i l z n u r eine g e r i n g e A n l a u f z e i t (Fig. 3). A u c h b e i Cladosporium cladosporioides hink e n F r i s c h ü b e r i m p f u n g e n n u r w e n i g h i n t e r bereits v o r e n t w i c k e l t e n K u l t u r e n nach. E t w a s ausgeprägter w a r d i e W a c h s t u m s v e r z ö g e r u n g b e i Phialophora fastigiata (Fig. 3) u n d b e i Aureobasidium pullulans. An pilifera w a r z u beobachten, daß Ceratocystis minor u n d Ceratocystis frische I n f e k t i o n e n b e i 0° C eine A n l a u f z e i t v o n n a h e z u 2 Wochen, b e i — 2,5° C v o n e t w a 6 W o c h e n brauchen, u m d a n n ä h n l i c h w i e die ä l t e r e n K u l t u r e n w e i t e r z u w a c h s e n (Fig. 4). Frische Ü b e r i m p f u n g e n a n d e r e r raschwüchsiger B l ä u e p i l z e w i e Ceratocystis coerulescens (Fig. 5) oder Scopularia Lundbergii müssen b e i 0° C zuerst eine m e h r e r e W o c h e n d a u e r n d e L a t e n z p h a s e ü b e r w i n d e n , b e v o r sie z u wachsen b e g i n n e n . B e i einer V e r s u c h s t e m p e r a t u r v o n —2,5° C k o n n t e a n frischen Ü b e r i m p f u n g e n v o n Ceratocystis coerulescens u n d Ceratocystis penicillata während 2 M o n a t e n noch k e i n W a c h s t u m beobachtet w e r d e n . B e i Scopularia Lundbergii e r f o l g t e e i n solches erst nach ü b e r 10 Wochen.

Tab.

1. W a c h s t u m s b e g i n n u n d r e l a t i v e W u c h s g e s c h w i n d i g k e i t e i n i g e r Bläuepilze bei niedrigen Temperaturen.

Pilzart

0

- 2.5 Macrophoma pinea Leptographium phycomyces .. Ceratocystis penicillata Ceratocystis coerulescens Scopularia corsicana Alternaria humicola Alternaria tenuis Scopularia Lundbergii Aureobasidium pullulans Ceratocystis minor Ceratocystis pilifera Cladosporium cladosporioides Ceratocystis piceae Cladosporium herbarum Phialophora fastigiata

_ -

35 35 73 24 42 35 24 57 12 30

3 9

—

-

Ì

41 31 10 10 31 17 11 16 11 16 7 17

a) i n P r o z e n t d e r W u c h s l e i s t u n g b e i o p t i m a l e r

16*

Weiterwachsen a ) einer bei 23° C entstandenen Kultur bei ° C

Wachstumsbeginn Tage nach Beimpfung der Agarröhrchen bei ° C

-

j -2.5 —

1

-

9 13 5 6 10 8 9 11 ! 9 1 8 ! 5 i 9

0

ì

Temperatur.

0.1 0.4 0.9 1.1 1.2 1.4 1.8 2.9 3.9 4.6 6.2 9.4

!

0.2 0.7 2.2 4.7 7.0 2.2 2.3 5.8 5.3 64 7.8 6.4 8.9 8.3 12.0

3

'

1.1 4.1 6.3 11.7 13.7 9.5 7.3 15.5 11.7 14.7 13.5 23.7 18.4 16.7 32.4

Η . von Pechmann

244

I n d e n ersten 3 S p a l t e n der T a b e l l e 1 ist f ü r 15 P i l z a r t e n u n d d r e i V e r s u c h s t e m p e r a t u r e n verzeichnet, w i e v i e l e Tage j e w e i l s v e r f l o s s e n sind, bis frische Ü b e r i m p f u n g e n Zeichen e i n e r E n t w i c k l u n g e r k e n n e n ließen. D i e nächsten 3 S p a l t e n d e r T a b e l l e geben an, w i e sich das w e i t e r e W a c h s t u m b e i 23° C v o r e n t w i c k e l t e r M y z e l r a s e n dieser P i l z e v o l l zieht, w e n n sie p l ö t z l i c h s t a r k a b g e k ü h l t u n d l ä n g e r e Z e i t b e i n i e d r i g e n T e m p e r a t u r e n g e h a l t e n w e r d e n . Das b e i d e n d r e i T e m p e r a t u r s t u f e n v o n d e n P i l z e n noch erreichte L ä n g e n w a c h s t u m w u r d e d a b e i i n H u n d e r t s t e l n der W u c h s l e i s t u n g ausgedrückt, d i e v o n diesen P i l z e n u n t e r optimalen Temperaturverhältnissen erreicht w i r d . 35 r ηο

Phialophora fastigiata

30 -

Leptographium phycomyces

0

-2.5 0 3

-2.5 0 3

. 1 -2.5 0 3°C

Temperatur

Fig. 6. Wachstum von drei Bläuepilzarten bei niederen Temperaturen, bezogen auf das Wachstum bei optimaler Temperatur. V o n d e n u n t e r s u c h t e n P i l z a r t e n w i r d Phialophora fastigiata, ein an sich l a n g s a m w ü c h s i g e r P i l z , a m w e n i g s t e n d u r c h K ä l t e i n seinem Ged e i h e n b e e i n t r ä c h t i g t u n d zeigt b e i 3° C noch Vs seines O p t i m a l w a c h s t u m s , b e i 0° C noch r e i c h l i c h Vs u n d b e i —2,5° C noch fast Vio dieses Betrages. I m Gegensatz d a z u v e r r i n g e r t sich b e i Macrophoma pinea oder b e i Leptographium phycomyces das W a c h s t u m i n G e f r i e r p u n k t n ä h e a u f k a u m m e h r f e s t s t e l l b a r e S p u r e n . A u c h die Alternaria-Arten u n d Ceratocystis penicillata w e r d e n durch K ä l t e stark behindert. Dasselbe w i r d noch e i n m a l v e r d e u t l i c h t d u r c h F i g . 6, i n d e r d i e u n t e r schiedliche W a c h s t u m s h e m m u n g b e i s t a r k e r A b k ü h l u n g a n d r e i h e r a u s gegriffenen t y p i s c h e n B e i s p i e l e n e r s i c h t l i c h ist. E i n e f ü r d i e P r a x i s b e d e u t s a m e F r a g e ist endlich, w i e s t r e n g e r F r o s t auf die V i t a l i t ä t v o n Bläuepilzen e i n w i r k t . U m hierüber A u s k u n f t zu e r h a l t e n , w u r d e n außer m i t d e n oben a u f g e f ü h r t e n 15 P i l z a r t e n noch m i t w e i t e r e n 5 A r t e n , n ä m l i c h Ceratocystis fioccosa (Mathiesen) H u n t 1 ,

Einfluß der Temperatur auf das Wachstum von Bläuepilzen

245

Alternaria consortiale ( T h ü m . ) Groves & Hughes, Phoma herbarum Westend, Septonema chaetospira (Groves) H u g h e s u n d Hypoxylon spec. V e r s u c h s r e i h e n angesetzt. Hierbei w u r d e n Kiefernsplintklötzchen m i t den Abmessungen 4 χ 8 X 15 m m zunächst auf Reinkulturen der Bläuepilze i n Agarröhrchen mehrere Wochen gelagert, anschließend i n sterile Petrischalen übertragen u n d i n einer Tiefk ü h l t r u h e einer Temperatur von — 21° C ausgesetzt. Die Zeit der Frosteinw i r k u n g wurde gestaffelt und betrug 1, 5 u n d 10 Tage. Von den kältebehandelten, verblauten Klötzchen w u r d e n Impfspäne auf frischen Malzagar gebracht, desgleichen von verblauten, aber nicht dem Frost ausgesetzten

Ceratocystis pilifera

mm Ceratocystis 70 r coerulescens|

Versuchsdauer

Tage

Ceratocystis

a Ξ

Versuchsdauer

Kontrolle, ohne Kältebehandlung

Tage

— 1 tägige Kälteeinwirkung(-21°C)

—5 ·· .-10 ••

Fig. 7. Längenwachstum von vier Bläuepilzen bei 23° C nach 1-, 5- bzw. lOtägiger K ä l t e e i n w i r k u n g von — 21° C, verglichen m i t dem Wachstum ohne Kälteeinwirkung.

Η . von Pechmann

246

Kontrollklötzchen. A n den so hergestellten K u l t u r e n wurde das Längenwachstum der kältebehandelten u n d der nicht behandelten Pilze bei einer Temperatur von 23° C beobachtet. A l s E r g e b n i s ist a l l g e m e i n festzustellen, daß s ä m t l i c h e P i l z e d i e F r o s t e i n w i r k u n g g u t ü b e r s t a n d e n h a b e n u n d ausnahmslos i h r e W ü c h s i g k e i t b e h i e l t e n . E i n e k u r z e F r o s t e i n w i r k u n g h a t b e i d e n m e i s t e n A r t e n sogar das W a c h s t u m angeregt. Ä h n l i c h e F e s t s t e l l u n g e n k o n n t e J. LIESE (1931) m i t verschiedenen B a s i d i o m y c e t e n machen. I n F i g . 7 w i r d der W a c h s t u m s v e r l a u f v o n e i n i g e n K u l t u r e n aus k ä l t e b e h a n d e l t e n K l ö t z c h e n m i t solchen aus u n b e h a n d e l t e n P r o b e n v e r glichen. Es zeigt sich dabei, daß v o n d e n d a r g e s t e l l t e n P i l z a r t e n v o r a l l e m Ceratocystis coerulescens einen starken Wachstumsanreiz empf a n g e n hat. D i e W u c h s f ö r d e r u n g d u r c h d i e K ä l t e b e h a n d l u n g ist w e n i g e r d e u t l i c h b e i Ceratocystis pilifera u n d Alternaria tenuis, w ä h r e n d b e i Ceratocystis minor i n j e d e m F a l l eine M i n d e r u n g der W a c h s t u m s g e s c h w i n d i g k e i t v o r l i e g t , die a l l e r d i n g s k a u m i n s G e w i c h t f ä l l t . Z u w e i l e n w i r k t sich d i e S t i m u l i e r u n g auch erst nach e i n e r gewissen Z e i t aus, w i e z. B . b e i Ceratocystis coerulescens nach lOtägiger oder b e i Ceratocystis pilifera nach 5tägiger K ä l t e e i n w i r k u n g z u beobachten ist.

Wuchsleistung

%

in

10 Tagen bei 23°C KH ohne

Ceratocystis coerulescens

Π

Kälteeinwirkung

mit

200 180 -

Ceratocystis pilifera

160 -

K0 -

Cladosporium cladosporioides

Scopularia lundbergii

120 100 80 60 -

40 20 -

0-

1 5 10 tg·

1 510tg. Kälteeinwirkung

1510tg. von - 21°C

-

1 5 10 tg.

Fig. 8 Einfluß einer 1-, 5- bzw. lOtägigen Kältebehandl u n g auf das Wachstum von vier Bläuepilzen. W i r d die i n 10 T a g e n erreichte W u c h s l e i s t u n g n a c h e i n e r verschieden l a n g e n F r o s t p e r i o d e i n P r o z e n t des W a c h s t u m s der u n b e h a n d e l t e n K o n t r o l l e ausgedrückt (siehe F i g . 8), so k o m m t das A u s m a ß der R e a k t i o n a u f d i e K ä l t e b e h a n d l u n g noch d e u t l i c h e r z u m A u s d r u c k .

Einfluß der Temperatur auf das Wachstum von Bläuepilzen

247

T a b . 2. Wachstumsvergleich von Bläuepilzkulturen aus kältebehandelten und nicht kältebehandelten Kiefernsplintklötzchen.

Pilzart

K ä l t e e i n w i r k u n g — 21° c Dauer i n Tagen 1

Scopularia Lundbergii Ceratocystis minor Macrophoma pinea Scopularia corsicana Alternaria consortiale Alternaria tenuis Aureobasidium pullulans Cladosporium cladosporioides Cladosporium herbarum Septonema chaetospira Hypoxylon spec Phoma herbarum Phialophora fastigiata Ceratocystis penicillata Leptographium phycomyces Alternaria humicola Ceratocystis fioccosa Ceratocystis piceae Ceratocystis pilifera Ceratocystis coerulescens

—

-

+ + + + +

+

+ +

+ + + +

! ! ι i

5

; 1

ί

-

-

-

ì

—

~

1 I 1 i !

-

—

1

! ! ! 1

-

+

+

+

+

+

+

+ +

+

—

-

!

10

-

~

!

i 1 :! !

+ +

+

+ W u c h s l e i s t u n g n a c h 10 T a g e n g r ö ß e r als b e i d e n u n b e h a n d e l t e n

i ί ί

-

-

-

!

—

!

-

!

! i

'

+

Vergleichsproben.

— W u c h s l e i s t u n g n a c h 10 T a g e n g e r i n g e r als b e i d e n u n b e h a n d e l t e n V e r g l e i c h s p r o b e n .

Wie aus der Tabelle 2 zu ersehen ist, scheinen nur wenige Pilzarten durch größere Kälte mehr oder weniger gehemmt zu werden; hierzu gehören die wärmeliebende Macrophoma pine α, Ceratocystis minor und vor allem Scopularia Lundbergii. Alle übrigen Arten haben durch eine eintägige Kältebehandlung einen Wachstumsreiz empfangen. Bei fünf Ceratocystis-Arten, Alternaria humicola und Leptographium phycomyc.es hat sich die Kältebehandlung bis zu 5 Tagen noch wachstumsfördernd ausgewirkt, erst nach 10 Tagen Frosteinwirkung ergab sich eine schwache Hemmung. Als sehr kälteresistent erwies sich Ceratocystis coerulescens, der auch auf lange Kältebehandlung noch durch gesteigertes Wachstum reagiert hat.

248

Η . von Pechmann Zusammenfassung

Temperaturversuche m i t einer größeren Anzahl von Bläuepilzen ergaben, daß diese Pilze i n einem Temperaturbereich zu wachsen vermögen, der für die einzelnen A r t e n verschieden, nach oben aber bei 32—40° C begrenzt ist. Gegen K ä l t e sind die Pilze sehr v i e l weniger empfindlich als gegen Hitze; bei vielen Bläuen liegt die untere Wachstumsgrenze noch unter dem Gefrierpunkt. Diese Ergebnisse stimmen gut überein m i t Beobachtungen an tiefgefrorenen Lebensmitteln, an denen bei einer langfristigen Erhöhung der Lagertemperatur über — 10° C eine zwar langsame, aber deutliche Vermehrung von Hefen u n d Schimmelpilzen festgestellt wurde (W. S C H M I D T L O R E N Z , 1965). Das optimale Wachstum von Bläuepilzen erfolgt je nach Pilzart zwischen 20 und 28° C, doch k o m m t auch bei winterlicher Witterung noch eine V e r mehrung und Ausbreitung von Bläuen zustande. Insbesondere k a n n sich eine Bläueinfektion auch bei k ü h l e m Wetter i m Holzinneren weiter ausbreiten, zumal dort die Temperaturextreme gegenüber der umgebenden Luftschicht gemildert sind ( H . VON P E C H M A N N , E . GRAESSLE und A. W U T Z , 1 9 6 4 ) . Durch strengen Frost w i r d die V i t a l i t ä t der Bläuepilze k a u m beeinträchtigt. Kurzdauernde K ä l t e e i n w i r k u n g (— 21° C) steigert bei den meisten A r t e n sogar die spätere Wuchsleistung. Infektionen von lagerndem Holz m i t Bläuepilzen sind praktisch zu jeder Jahreszeit möglich, wenn auch durch Frostwetter die Ausbreitung einer Bläueinfektion stark verzögert wird. U m Bläueschäden zu vermeiden, empfiehlt es sich, die durch kalte W i t t e r u n g bewirkte Latenzphase i n der Entwicklung der Pilze durch raschen Abtransport und Einschnitt des Holzes auszunützen. Je mehr das Holz nach der Fällung und beim Einschnitt einer milden W i t t e r u n g ausgesetzt ist, u m so mehr ist eine vorbeugende chemische Schutzbehandlung des Schnittholzes unmittelbar nach dem Einschnitt angezeigt.

Summary The influence of temperatures on the growth of blue-staining fungi The temperature range w i t h i n which blue staining fungi are able to grow was found out by experiments carried out w i t h a relatively great number of various species. The range varies w i t h the different species. The upper l i m i t is between 32 and 40° C. For many blue staining fungi the lower l i m i t is even below the freezing point. Depending on the i n d i v i d u a l species, the most favorable temperatures for g r o w t h are between 20° and 28° C. Nevertheless, the blue staining fungi are also able to propagate and spread at w i n t r y temperatures. I n particular, infections w i t h i n a log proceed at l o w temperatures, all the more since the temperatures therein are not as extrem as they are i n the open. Severe cold does not prejudice any blue staining fungi. As to the greater part of the various species, short influence of cold (— 21° C) even causes an increase of growing capacity w h e n temperatures have raised again.

Einfluß der Temperatur auf das Wachstum von Bläuepilzen

249

Indeed, infections of stored logs by blue staining fungi may take place at any season, even i f the propagation of infections is considerably retarded by frost. I n order to prevent the logs f r o m being discoloured, the cold periods causing latent phases i n the development of blue staining fungi should, therefore, be used for transporting the logs from the forest. If, however, the logs are sawn during a subsequent spell of m i l d weather, a chemical protective treatment carried out immediately after sawing w i l l be indicated as a prophylactic. Résumé L'influence des températures sur le développement des champignons de bleuissement Les essais avec u n certain nombre de champignons lignicoles q u i provoquent le bleuissement de résineux ont indiqué que ces organismes peuvent se développer dans des conditions de températures variant suivant les espèces, mais avec u n m a x i m u m de 32—40° C. Les champignons sont beaucoup plus sensibles à la chaleur qu'au froid; la l i m i t e inférieure de la croissance se situe mème au-dessous de zèro chez de nombreuses espèces. Ces résultats sont confirmés par les observations faites chez des produits alimentaires gelés à coeur. Suite à u n relèvement prolongé de la température au-dessus de — 10° C, on a p u constater u n accroissement manifeste, bien que lent, de levures et de moisissures (W. S C H M I D T - L O R E N Z , 1965). Selon l'espèce les conditions de température optima pour le développement des générateurs d u bleuissement se situent entre 20 et 28° C. Cela n'empèche pas que, mème en hiver, l'expansion et la croissance des champignons restent possibles. E n temps froid ils parviennent plus spécialement à s'étendre dans les couches intérieures d u bois, d'autant que là-dedans les extrèmes de la température sont atténués sensiblement ( H . VON P E C H M A N N , E. GRAESSLE u n d A. WUTZ, 1964). Une forte gelée n'a presqu'aucune influence sur la vitalité de ces champignons. On a p u remarquer au contraire que le passage par une courte période de froideur (— 21° C) peut causer une croissance ultérieure plus forte chez la plupart des espèces. L'infection des bois abattus peut se produire pratiquement dans toutes les saisons, bien qu'en période de gel la propagation d'une infection est retardée fortement. Pour éviter cette altération du bois i l est recommandable de profìter de cette phase latente dans le développement du champignon par l'évacuation et le sciage rapides des tiges. Plus que le temps est doux pendant l'abatage et le sciage, plus i l est nécessaire de passer à une protection préventive à l'aide de produits chimiques.

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TAROCINSKY,

Anschrift des Verfassers: Prof. Dr.

H . VON P E C H M A N N

8 München 13, Amalienstraße 52 Bundesrepublik Deutschland

Elektronenmikroskopische Beobachtungen an Hyphen von Holzpilzen V o n ROSWITHA SCHMID u n d WALTER LIESE

Forstbotanisches I n s t i t u t , München, u n d I n s t i t u t f ü r Holzbiologie u n d Holzschutz der Bundesforschungsanstalt f ü r F o r s t - u n d Holzwirtschaft, Reinbek (Deutschland)

Das vegetative Mycel der Pilze erscheint lichtoptisch relativ strukturarm und homogen. Nur vereinzelt lassen sich spezielle Strukturen erkennen, wie die Schnallen an den Hyphen von Basidiomyceten. Genauere morphologische Kenntnisse sind jedoch von elektronenmikroskopischen Beobachtungen zu erwarten. Während über die Zytologie der Hyphen bereits Befunde vorliegen, ist über die Struktur der Zellwand nur wenig bekannt. Unsere bisherigen elektronenmikroskopischen Untersuchungen an Holzpilzen befaßten sich vorwiegend mit der Ausbreitung des Mycels i m Holz und den hiermit verbundenen Veränder u n g e n d e r l i g n i f i z i e r t e n Z e l l w ä n d e ( W . LIESE u n d R . SCHMID, 1961, 1962,

1964; R. SCHMID u n d W. LIESE, 1964). Nachfolgend sollen daher einige

Beobachtungen über submikroskopische Strukturen der Hyphen mitgeteilt werden. Die genauere Kenntnis ihrer Morphologie kann zudem eine funktionelle Deutung erleichtern. Die Untersuchungen erfolgten an verschiedenen B r a u n f ä u l e p i l z e n (Porta vaillantii [DC. ex Fr.] Sacc., Coniophora puteana [Fr.] P. Karsten, Merulius lacrimans [Wulf, ex Fr.] Fr., Lenzites sepiaria [ W u l f , ex Fr.] Fr., Lentinus lepideus [Fr.]), Weißfäulepilzen (Polyporus versicolor L . ex Fr., Polyporus stipticus [Pers. ex Fries], Trametes pini [Thore ex Fr.] Fr., Fomes annosus [Fr.] Cooke), Bläuepilzen (Aureobasidium pullulane [De B a r y ] A r n a u d , Cera tocystis pilifera [Fries] C. Moreau, Phialocephala phycomyces [Auerswald] Kendrick) u n d zahlreichen A r t e n v o n Moderfäuleerregern. D i e elektronenmikroskopischen Beobachtungen w u r d e n an A b d r ü c k e n u n d D ü n n s c h n i t t e n m i t einem A E G Zeiss E M 8 u n d einem S I E M E N S E l m i s k o p I d u r c h g e f ü h r t 1 .

1 D i e elektronenmikroskopischen Untersuchungen erfolgten zumeist i m I n s t i t u t f ü r Holzforschung u n d Holztechnik der U n i v e r s i t ä t München. F r ä u l e i n E. B a l d e r m a n n d a n k e n w i r f ü r i h r e gewissenhafte Hilfe.

252

R o s w i t h a Schmid u n d W a l t e r Liese Schnallen

Für das vegetative, dikaryontische Mycel vieler Basidiomyceten ist die Bildung von Schnallen charakteristisch. Eine Schnalle entsteht bei der Teilung des Kernpaares durch einen henkelartigen Auswuchs, der anschließend mit der Haupthyphe fusioniert. I m Bereich der Schnalle w i r d die neue Querwand gebildet. A n Abdrücken erscheint die Hyphe i n dieser Zone meist leicht eingebuchtet. Haupthyphe und Schnalle können dicht nebeneinander liegen (Fig. 1) oder durch einen Zwischenraum getrennt sein (Fig. 2). Mitunter sind atypische Bildungen zu beobachten, und zwar besonders i n einem fortgeschrittenen Befallsstadium. Auffällig ist auch die „Medaillon"-Form (Fig. 3), die hauptsächlich bei Lenzites, aber auch bei anderen Gattungen — wie z. B. Lentinus und Porta — vorkommt. Es dürfte sich hierbei um abgewandelte, bzw. ringförmige S c h n a l l e n h a n d e l n ( W . P. K . FINDLAY, 1932; E. ULBRICH, 1941; G. THEDEN,

1944), wie auch ein Vergleich der Fig. 2 und 3 nahelegt. Eine unvollendete Medaillon-Bildung wurde bisweilen bei Porta gefunden (Fig. 4). Bei Coniophora entstehen i n jungen Stadien nur einfache Schnallen, und erst später folgen doppelte Schnallen und Wirtelschnallen (H. GREIS, 1937; W . KEMPER, 1937). D i e i m H o l z w a c h s e n d e n H y p h e n v o n

Conio-

phora puteana scheinen keine Schnallen auszubilden (G. THEDEN, 1944).

Einschnürungen

Bei Coniophora wurde eine besondere Hyphenform beobachtet, die durch eine taillenförmige Einschnürung charakterisiert ist (Fig. 5). Sie könnte durch die Berührung und Verschmelzung zweier Hyphenspitzen entstanden sein, aber auch durch eine lokale Verengung der Hyphe. Beidseitig der Einschnürung sind die Hyphenteile keulenförmig angeschwollen. Dazwischen ist oft eine stegartige Verbindung sichtbar (Fig. 6), die durchschnittlich 0,3—0,6 μ breit ist und sich partiell i n die beiden Hyphenteile hinein fortsetzt. Diese Einschnürung der Hyphen k ö n n t e d e r v o n R . FALCK (1912) u n d

G. THEDEN (1944)

beschriebenen

„Fingerbildung" entsprechen.

Fig. 1. H y p h e v o n Porta vaillantii

m i t anliegender Schnalle.

Fig. 2. H y p h e u n d Schnalle durch einen Z w i s c h e n r a u m getrennt; Porta vaillantii. Fig. 3. M e d a i l l o n b i l d u n g bei Porta vaillantii. Fig. 4. Unvollendete Schnallen- bzw. M e d a i l l o n b i l d u n g bei Porta vaillantii. Fig. 5. T a i l l e n f ö r m i g e Einschnürung an einer H y p h e v o n Coniophora puteana. Fig. 6. Stegartige V e r b i n d u n g zwischen z w e i Zellen einer H y p h e v o n Coniophora puteana.

Elektronenmikroskopische Beobachtungen an Holzpilzen Tafel

I

253

254

Roswitha Schmid u n d Walter Liese Mikrohyphen

A l s „ M i k r o h y p h e n " w e r d e n d ü n n e , f a d e n f ö r m i g e H y p h e n bezeichnet, die m e i s t v o n der S p i t z e einer d i c k e r e n H y p h e ausgehen (Fig. 7) (W. LIESE u n d R. SCHMID, 1963). D e r Ü b e r g a n g i n d i e M i k r o h y p h e e r f o l g t u n v e r m i t t e l t (Fig. 8). B i s w e i l e n e n t s p r i n g e n m e h r e r e M i k r o h y p h e n g e i ß e l a r t i g e i n e r H y p h e n s p i t z e ; auch k ö n n e n sie g a b e l f ö r m i g v e r z w e i g t sein. D i e B r e i t e dieser G e b i l d e b e t r ä g t 0,1 — 0,4 μ. I m Gegensatz z u der n o r m a l g e s t a l t e t e n H y p h e ist das E n d e e i n e r M i k r o h y p h e n i c h t abger u n d e t , s o n d e r n erscheint spitz. Es w ä r e d e n k b a r , daß die M i k r o h y p h e d u r c h S c h r u m p f u n g einer normalen H y p h e entsteht u n d somit einen Trocknungsartefakt darstellt. E i n i g e B e o b a c h t u n g e n sprechen aber d a f ü r , daß es sich h i e r b e i u m ein echtes Z e l l o r g a n e l l h a n d e l t . A m h ä u f i g s t e n w u r d e n d i e M i k r o h y p h e n b e i Trametes pini beobachtet, w o sie o f t z u e i n e m B o h r l o c h f ü h r e n . Dies s p r i c h t f ü r i h r e M i t w i r k u n g b e i d e m D u r c h d r i n g e n v o n Z e l l w ä n d e n . Es ist a u f f a l l e n d , daß die B o h r l ö c h e r e r h e b l i c h b r e i t e r als die M i k r o h y p h e n selbst sind, so daß enzymatische A b b a u v o r g ä n g e b e t e i l i g t sein d ü r f t e n , d i e v o n d e n M i k r o h y p h e n ausgehen. D i e B i l d u n g f e i n e r H y p h e n b e i Coniophora beschreibt C. RUMBOLD (1908), w o b e i eine .dickere H y p h e i h r W a c h s t u m p l ö t z l i c h e i n s t e l l t u n d v o n einer t e r m i n a l e n A n s c h w e l l u n g m e h r e r e d ü n n e r e H y p h e n auswachsen. Sie f ü h r t d e r a r t i g e B i l d u n g e n a u f eine E n t w i c k l u n g s s t ö r u n g zurück. Transpressorien B e i U n t e r s u c h u n g e n a n B l ä u e p i l z e n w u r d e eine a u f f a l l e n d s t r u k t u r i e r t e H y p h e n f o r m beobachtet u n d als „ T r a n s p r e s s o r i u m " bezeichnet (W. LIESE u n d R. SCHMID, 1964). Sie d ü r f t e d e r l i c h t o p t i s c h noch e r k e n n b a r e n „ B o h r h y p h e " entsprechen. Das T r a n s p r e s s o r i u m ist t y p i s c h ges t a l t e t u n d besteht aus e i n e m S t i e l , e i n e m K o p f t e i l u n d einer S p i t z e (Fig. 9). D e r S t i e l des T r a n s p r e s s o r i u m s k a n n d i r e k t sichtbar v o n e i n e r H y p h e ausgehen oder aus e i n e m B o h r l o c h i n der Z e l l w a n d h e r a u s ragen. D i e D e u t u n g der M i k r o g r a p h i e n e r g i b t , daß i n diesem F a l l das

Fig. 7. M i k r o h y p h e bei Trametes pini. Fig. 8. Hyphenspitze m i t Ansatz der M i k r o h y p h e bei Trametes pini. Fig. 9. Z w e i Transpressorien an der Spitze von Hyphen von Ceratocystis pilifera . Fig. 10. Hyphe auf Formvar-Folie m i t umgebender Schleimschicht; Aureobasidium pullulans. Fig. 11. Abdruck einer Hyphe m i t Schleimschicht; Sporormia leporina auf Cellophan.

Elektronenmikroskopische Beobachtungen an Holzpilzen Tafel

II

255

R o s w i t h a Schmid u n d W a l t e r Liese

256

Transpressorium

i n der Regel die Z e l l w a n d

durchdrungen

hat

und

n i c h t erst b e i d e r A b d r u c k h e r s t e l l u n g aus d e r Z e l l w a n d g e z o g e n w u r d e . An

der Austrittsstelle

des T r a n s p r e s s o r i u m s

w i r d offensichtlich

neue, n o r m a l gestaltete H y p h e gebildet. D e r S t i e l zeigt m e i s t

eine Quer-

falten. D e r K o p f t e i l ist i n der Regel verdickt, v o r n abgeplattet besitzt einen spitzen- oder t r o p f e n f ö r m i g e n Die charakteristische für,

A u s b i l d u n g des T r a n s p r e s s o r i u m s

daß e i n e v e r h o l z t e

und

Fortsatz. spricht

Z e l l w a n d mechanisch d u r c h d r u n g e n

da-

werden

k a n n . D i e s p i t z e o d e r k o n i s c h e F o r m des f e i n e n F o r t s a t z e s a m K o p f t e i l w ü r d e das E i n d r i n g e n i n d i e W a n d v o r b e r e i t e n . F e r n e r i s t

denkbar,

daß h i e r z u g l e i c h E n z y m e ausgeschieden w e r d e n , d i e d e n D u r c h b r u c h erleichtern.

Die

maßgebliche

Mitwirkung

mechanischer

Druckkräfte

b e i m D u r c h d r i n g e n der Z e l l w a n d w i r d durch die Beobachtung s t ü t z t , daß b e s t i m m t e B l ä u e p i l z e M e t a l l f o l i e n wobei

eine

enzymatische

Mitwirkung

durchwachsen

ausgeschlossen

unterkönnen,

werden

kann.

A u c h d i e F a l t e n a m S t i e l des T r a n s p r e s s o r i u m s d e u t e n a u f e i n e D r u c k w i r k u n g h i n , d i e als S t a u c h u n g i n f o l g e i n t e r k a l a r e n W a c h s t u m s stehen

könnte.

Die

bei

verschiedenen

Bläuepilzarten

Unterschiede i n d e m V o r k o m m e n v o n Transpressorien stehen i n sammenhang

mit

ihrer

Fähigkeit,

durch

verholzte

ent-

beobachteten Zellwände

Zuzu

wachsen. Ä h n l i c h gestaltete Transpressorien w u r d e n auch b e i h o l z a b b a u e n d e n A s c o m y c e t e n aus d e r G r u p p e d e r M o d e r f ä u l e p i l z e u n d b e i h o l z z e r s t ö r e n d e n B a s i d i o m y c e t e n b e o b a c h t e t . B i s w e i l e n z e i g t d e r S t i e l des T r a n s p r e s s o r i u m s s e i t l i c h Stachel- o d e r h a k e n f ö r m i g e A u s w ü c h s e , w i e B e i s p i e l b e i Trametes

pini

u n d Fomes

annosus.

B e i diesen

zum

Pilzarten

w u r d e n Transpressorien nicht n u r i m t e r m i n a l e n Bereich, sondern auch an älteren H y p h e n t e i l e n festgestellt.

Schleimhüllen D i e H y p h e n v o n holzbewohnenden Pilzen k ö n n e n v o n einer Schleimh ü l l e u m g e b e n s e i n (R. SCHMID u n d W . LIESE, 1965), d i e u n t e r s c h i e d l i c h b r e i t i s t ( F i g . 10). E i n e solche S c h i c h t l ä ß t sich b e r e i t s l i c h t o p t i s c h e r -

Fig. 12. D ü n n s c h n i t t durch H y p h e n v o n Phialocephala phycomyces m i t m e m b r a n a r t i g e r Begrenzung der Hüllschicht. Fig. 13. G r a n u l ä r e Schleimschicht längs einer H y p h e v o n Alternaria tenuis. Fig. 14. F i b r i l l a r e H ü l l e längs einer H y p h e v o n Aureobasidium pullulans. Fig. 15. M y o f i b r i l l e n a n einer H y p h e v o n Chaetomium globosum. Fig. 16. K r i s t a l l f ö r m i g e Ausscheidung auf der Tracheidenwand längs einer H y p h e v o n Coniophora puteana. Fig. 17. Nadeiförmige K r i s t a l l e an einer H y p h e v o n Polyporus versicolor i n Kiefernholz.

Elektronenmikroskopische Beobachtungen an Holzpilzen Tafel 1

/

17 M a t e r i a l u n d O r g a n i s m e n , B e i h e f t 1

III

257

258

Roswitha Schmid und Walter Liese

k e n n e n , u n d z w a r besonders b e i K o n t r a s t f ä r b u n g m i t schwarzer Tusche. D i e Schleimschicht k a n n a l l s e i t i g oder m e h r l o k a l , m a n s c h e t t e n a r t i g d i e H y p h e n u m g e b e n . I m e l e k t r o n e n m i k r o s k o p i s c h e n A b d r u c k b i l d ist d i e H ü l l e als S a u m b e i d s e i t i g der H y p h e sichtbar (Fig. 11). D e r a r t i g e Z o n e n ä h n e l n m i t u n t e r d e n l y t i s c h e n V e r ä n d e r u n g e n der v e r h o l z t e n Z e l l w a n d b e i e i n e m e n z y m a t i s c h e n A b b a u . I m D ü n n s c h n i t t erscheint d i e H ü l l e nach K a l i u m p e r m a n g a n a t - u n d O s m i u m t e t r o x y d - F i x i e r u n g d u r c h eine s t a r k k o n t r a s t i e r t e G r e n z l i n i e abgeschlossen (Fig. 12). H i e r d u r c h w i r d v e r s t ä n d l i c h , daß b e i f r ü h e r e n U n t e r s u c h u n g e n v o n D ü n n s c h n i t t e n d u r c h p i l z b e f a l l e n e H o l z z e l l e n die H y p h e n u n t e r h a l b der T e r t i ä r w a n d z u wachsen schienen (H. MEIER, 1955). T a t s ä c h l i c h l i e g e n sie jedoch dieser a u f u n d s i n d v o n e i n e r feinen, k o n t r a s t r e i c h e n „ M e m b r a n " bedeckt, die i m D ü n n s c h n i t t d e r T e r t i ä r w a n d ä h n e l t . A u f A b d r ü c k e n k a n n die H ü l l s c h i c h t e n t w e d e r a m o r p h (Fig. 11), g r a n u l ä r (Fig. 13) oder auch f i b r i l l ä r (Fig. 14) g e s t a l t e t sein. D i e f i b r i l l ä r e n S t r u k t u r e n d ü r f t e n b e i der T r o c k n u n g des Schleimes entstehen. D i e v e r s c h i e d e n a r t i g e n E r s c h e i n u n g s f o r m e n der H ü l l e s i n d w e n i g e r v o n der P i l z a r t als v o m W a c h s t u m s s u b s t r a t u n d a n d e r e n äußeren E i n f l ü s sen a b h ä n g i g (W.LIESE u n d G. SEEHANN, 1966). D i e chemische U n t e r suchung des Schleimes ergab das V o r h a n d e n s e i n v o n Polysacchariden. D i e F r a g e nach der f u n k t i o n e l l e n B e d e u t u n g dieser Schicht i s t noch u n g e k l ä r t . Sie k ö n n t e die H a f t f e s t i g k e i t der H y p h e a m S u b s t r a t erhöhen, als G l e i t s u b s t a n z oder V e r d u n s t u n g s s c h u t z dienen, b z w . f ü r die A u s b r e i t u n g der e x t r a c e l l u l ä r e n E n z y m e eine B e d e u t u n g haben. L i c h t - u n d e l e k t r o n e n m i k r o s k o p i s c h e B e o b a c h t u n g e n h a b e n gezeigt, daß die m e i s t e n h o l z b e w o h n e n d e n P i l z e eine solche S c h l e i m h ü l l e b e sitzen. B e i B a k t e r i e n s i n d d e r a r t i g e H ü l l e n als K a p s e l seit l a n g e m b e kannt. V i e l f a c h s i n d die H y p h e n v o n f i b r i l l ä r e n S t r u k t u r e n u m g e b e n , die versicolor beschrieben w u r d e n als „ M y o f i b r i l l e n " zuerst b e i Polyporus (W. LIESE u n d R. SCHMID, 1963). Es s i n d f ä d i g e E l e m e n t e v o n 2 0 0 - 5 0 0 Ä Dicke, die m e i s t d i c h t v e r n e t z t e n t l a n g d e n H y p h e n l i e g e n u n d sie t e i l w e i s e bedecken (Fig. 15). Es ist z u r Z e i t noch n i c h t e i n d e u t i g z u bea n t w o r t e n , ob a l l e M y o f i b r i l l e n a u f T r o c k n u n g s r ü c k s t ä n d e n der s c h l e i m i g e n H ü l l s c h i c h t b e r u h e n . D i e b i s h e r i g e n B e f u n d e d e u t e n an, daß d i e M y o f i b r i l l e n t e i l w e i s e echte e x t r a c e l l u l ä r e B e s t a n d t e i l e der H y p h e n z e l l w a n d darstellen.

Kristalle A u ß e r d e n S c h l e i m h ü l l e n w e r d e n an d e n H y p h e n v i e l f a c h auch die b e r e i t s l i c h t o p t i s c h s i c h t b a r e n k r i s t a l l i n e n A u s s c h e i d u n g e n beobachtet. H i n s i c h t l i c h V o r k o m m e n , H ä u f i g k e i t u n d F o r m zeigte sich e i n Z u -

Elektronenmikroskopische Beobachtungen an Holzpilzen

259

sammenhang zwischen der Pilzart u n d d e m physiologischen Zustand der H y p h e n b z w . d e m S u b s t r a t . B e i Coniophora entstehen v o r w i e g e n d h e x a g o n a l e C a l c i u m o x a l a t k r i s t a l l e (Fig. 16). B e i Polyporus versicolor k a n n m a n an H y p h e n i m Kiefernholz nadeiförmige Ablagerungen beobachten (Fig. 17), h i n g e g e n n i c h t b e i solchen i n B u c h e n h o l z . Es w ä r e m ö g l i c h , daß b e i m W a c h s t u m dieses L a u b h o l z s p e z i a l i s t e n i m N a d e l h o l z andere S t o f f w e c h s e l p r o d u k t e ausgeschieden w e r d e n .

Zusammenfassung Elektronenmikroskopische Beobachtungen an Hyphen von Holzpilzen zeigen strukturelle Einzelheiten, die lichtoptisch nicht erfaßbar sind. Eine vertiefte Kenntnis der morphologischen Strukturen k a n n ihre funktionelle Deutung erleichtern. Beschrieben werden die für das vegetative Mycel der Basidiomyceten typische Schnallenbildung, sowie eine taillenförmige Einschnürung, die an den Hyphen von Coniophora beobachtet wurde. — Das Vorkommen von Mikrohyphen, die meist von der Spitze einer dickeren Hyphe ausgehen, wurde besonders bei Trametes pini festgestellt. Sie dürften beim Durchdringen von Zellwänden m i t w i r k e n . — Bläuepilze scheinen die Zellwand m i t Hilfe eines speziell gestalteten Transpressoriums zu durchqueren. — Die Hyphen der Holzpilze können von Schleimhüllen umgeben sein, die v o r wiegend aus Polysacchariden bestehen. Die funktionelle Bedeutung dieser Hüllschicht ist noch ungeklärt. Die an den H y p h e n zu beobachtenden M y o f i b r i l l e n können durch· Trocknung dieser Schleimschicht entstehen. — Vielfach scheiden die Hyphen kristalline Substanzen aus, wobei Pilzart, physiologischer Zustand der Hyphen u n d Substrat von Einfluß sind.

Summary Electron microscopical observations on hyphae of wood fungi Electron microscopical observations of hyphae of wood-destroying fungi show structural details, which are not detectable i n the l i g h t microscope. A thorough knowledge of the morphological structures w o u l d facilitate an explanation of their function. The typical formation of clamp connections of the vegetative m y c e l i u m of Basidiomycetes is described; a t i g h t lacing i n the f o r m of a w a i s t - l i n e has been observed at the hyphae of Coniophora. — The occurrence of microhyphae originating f r o m the t i p of a thicker hypha was found especially i n Trametes pini. I t could be functional i n penetrating cell walls. — Blue-stain fungi traverse the cell walls w i t h the aid of a specially constructed transpressorium. — The hyphae of wooddestroying fungi can be surrounded by a slime substance, composed mostly of polysaccharides. The functional significance of this slime layer has not yet been clarified. The mycofibrils observed i n connection w i t h the hyphae could have been caused at least p a r t i a l l y by the d r y i n g up of the slime envelope. — The hyphae secrete various crystalline substances, which process is influenced by the species of fungus, the physiological condition of the hyphae and the substratum. 17*

260

Roswitha Schmid u n d Walter Liese Résumé Des observations électron-microscopiques des hyphes des champignons lignicoles

Des observations électron-microscopiques des hyphes de champignons l i g n i vores montrent des détails structurelles invisible au microscope. Une connaissance approfondie des structures morphologiques permet de mieux comprendre leur fonction. On décrit la formation de boucle, typique pour le m y c è l i u m végétative des Basidiomycetes, aussi u n étranglement q u i a été observé aux hyphes de Coniophora. L'existence des micro-hyphes, dont la p l u part des cas apparaissent d'abord à la pointe d'une hyphe plus épaisse, a été observé surtout chez Trametes pini. C'est possible qu'ils prennent part à pénétrer les membranes cellulaires. I l semble que les champignons de bleuissement s'infiltrent dans les membranes cellulaires à l'aide d'un « transpressoire» en forme spéciale. Les hyphes des champignons lignivores sont parfois entourées d'une enveloppe visqueuse, q u i consiste en majorité de polysaccharides. L'importance fonctionelle de cette enveloppe n'est pas encore éclaircie. — Les mycofibrilles se trouvant dans les hyphes peuvent se développer en conséquence de la déshydratation de cette couche muqueuse. — Bien souvent des substances cristallines se séparent des hyphes, par suite des influences d u type de champignon, de l'état physiologique des hyphes puis du bouillon de culture.

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ULBRICH,

Anschrift der Verfasser: Dr.

ROSWITHA

SCHMID

Forstbotanisches I n s t i t u t Universität München 8000 München 13, Amalienstr. 52 Bundesrepublik Deutschland Prof. Dr. W A L T E R L I E S E Bundesforschungsanstalt für Forstu n d Holzwirtschaft 2057 Reinbek Bundesrepublik Deutschland

A m o u n t a n d D i s t r i b u t i o n of N i t r o g e n i n W o o d a n d its I n f l u e n c e o n W o o d D e t e r i o r a t i o n 1 ) By

W I L L I A M MERRILL a n d ELLIS B .

COWLING

Respectively, Department of Plant Pathology, Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania, and Department of Plant Pathology, N o r t h Carolina State University, Raleigh, N o r t h Carolina (U.S.A.)

L i k e a l l o t h e r l i v i n g organisms, w o o d - r o t t i n g f u n g i r e q u i r e n i t r o g e n f o r e v e r y phase of t h e i r existence; Ν is a m a j o r c o n s t i t u e n t of n u c l e i c acids, a m i n o acids, p r o t e i n s , a n d c h i t i n . Since w o o d - r o t t i n g f u n g i are u n a b l e t o fix a t m o s p h e r i c N , t h e y d e p e n d u p o n t h e n i t r o g e n o u s m a t e r i a l s n a t u r a l l y o c c u r r i n g i n w o o d as t h e i r source of N . Y e t t h e r e is v e r y l i t t l e Ν i n w o o d , u s u a l l y less t h a n 0.1 °/o a n d r a r e l y m o r e t h a n 0.3 % (F. E.

ALLISON, R . M .

MURPHY a n d

C. J. KLEIN,

1 9 6 3 ; ANONYMOUS,

1962).

F o r m o s t s a p r o p h y t i c o r g a n i s m s a m e d i u m w i t h so h i g h a C : Ν r a t i o (350—500 : 1) w o u l d be deficient f o r Ν a n d w o u l d s u p p o r t l i t t l e g r o w t h . T h u s i t m i g h t be e x p e c t e d t h a t t h e a m o u n t of Ν i n w o o d s h o u l d be one of t h e c r i t i c a l , i f n o t l i m i t i n g , factors i n w o o d d e t e r i o r a t i o n . Indeed, to o b t a i n r a p i d decay of w o o d b y c e r t a i n s o f t - r o t t i n g a n d s o i l f u n g i i t is necessary to a d d Ν to t h e w o o d i t s e l f or to t h e m e d i u m i n w h i c h t h e wood

is

exposed

(F. E.

ALLISON,

R. M .

MURPHY

and

C.J.

KLEIN,

1963;

A . C. OLIVER, 1959; H . ZYCHA, 1964). T h e same is t r u e f o r c e r t a i n h e r baceous p l a n t m a t e r i a l (S. A . WAKSMAN, 1931). T h e r e are c o n f l i c t i n g r e p o r t s of t h e effects of such a d d i t i o n s of Ν u p o n t h e r a t e of decay b y basidiomycetous fungi. O n l y a b r i e f glance at t h e l i t e r a t u r e q u i c k l y reveals t h a t n o t o n l y is l i t t l e k n o w n of t h e Ν n u t r i t i o n of w o o d - r o t t i n g f u n g i , b u t e v e n less is k n o w n of t h e n i t r o g e n o u s m a t e r i a l s i n w o o d . Ν i n w o o d u s u a l l y is r e f e r r e d to as " d r i e d r e m n a n t s of t h e dead c e l l p r o t o p l a s t s " , a n d n e b u l o u s l y defined as " w o o d p r o t e i n " . T h e inadequacies of these g e n e r a l i z a t i o n s are a p p a r e n t i m m e d i a t e l y : 1. m a n y l i v i n g p a r e n c h y m a cells 1 This investigation is part of a continuing program of research on the biochemistry of wood deterioration being carried out w i t h the support of the Forest Service, U. S. Department of Agriculture, Washington, D. C., and the Pioneering Research Program of the Institute of Paper Chemistry, Appleton, Wisconsin, U. S. A .

W i l l i a m M e r r i l l and Ellis Β . Cowling

264

occur i n s a p w o o d of a l l t r e e species, so t h a t Ν i n s a p w o o d is n o t a l l i n dead cells a n d i n c l u d e s such n o n - p r o t e i n a c e o u s m a t e r i a l s as n u c l e i c acids a n d free a m i n o acids; 2. t h e dead cells t h a t c o m p r i s e t h e b u l k of t h e w o o d do n o t d r y o u t u n t i l t h e t r e e is cut, so t h a t " d r i e d r e m n a n t s " c o u l d n o t occur i n these cells w h i l e t h e p l a n t is l i v i n g ; 3. t h e r e is no evidence w i t h e i t h e r l i g h t o r e l e c t r o n m i c r o s c o p e of r e m n a n t s of m e m b r a n e s o r organelles i n such dead x y l e m cells. H a n d i c a p p e d b y lack of e x i s t i n g k n o w l e d g e of t h e n i t r o g e n o u s m a t e r i a l s i n w o o d as a f o u n d a t i o n u p o n w h i c h t o base r e a l i s t i c studies of t h e r o l e of Ν i n w o o d d e t e r i o r a t i o n , w e h a v e b e g u n a series of i n v e s t i g a t i o n s to define t h e a m o u n t s , f o r m s , a n d d i s t r i b u t i o n of t h e n i t r o g e n o u s m a t e r i a l s i n w o o d , a n d t h e i r r e l a t i o n to w o o d decay. T h i s p a p e r presents a p o r t i o n of t h e results o b t a i n e d t h u s far. Cross sections of stems of Populus grandidentata, Fraxinus americana , Quercus rubra , Picea abies, a n d Pinus strobus w e r e c a r e f u l l y separated i n t o i n d i v i d u a l a n n u a l i n c r e m e n t s . T h e t o t a l Ν c o n t e n t of each i n c r e m e n t w a s d e t e r m i n e d b y m i c r o - K j e l d a h l analysis. R a d i a l g r a d i e n t s of Ν c o n t e n t f o l l o w e d s i m i l a r p a t t e r n s i n a l l species studied. Ν c o n t e n t decreased p r o g r e s s i v e l y f r o m t h e c a m b i u m to t h e t r a n s i t i o n zone

pith .

-c:

0.2-

QJ

b χθ c; 2-Stoffwechsels h a b e n soll, ergab b e i Coniophora cerebella I u n d b e i Coniophora arida 422 s o w o h l i m D a u e r l i c h t als auch i m 8 s t ü n d i g e n H e l l / D u n k e l - W e c h s e l k e i n e (C. c. I) oder n u r eine g e r i n g e V e r ä n d e r u n g d e r P e r i o d e n l ä n g e v o n 24 a u f 26 S t u n d e n (C. 422). D i e Versuche w u r d e n m i t e i n e r L i c h t i n t e n s i t ä t v o n 500 oder 5000 L u x d u r c h g e f ü h r t . D i e v o n E. L . NUERNBERGK a n g e w a n d t e n h ö h e r e n L i c h t i n t e n s i t ä t e n v o n 20 000 bis 30 000 L u x m i t e i n e r H P L - P h i l i p p s - 4 0 0 W - L a m p e k o n n t e n b e i d e r eigenen V e r s u c h s a n o r d n u n g n i c h t erreicht w e r d e n , da t r o t z F i l t e r u n g des L i c h t s m i t e i n e r 50 m m s t a r k e n Schicht v o n ges ä t t i g t e r K u p f e r s u l f a t - L ö s u n g eine E r w ä r m u n g i n d e n Reaktionsgefäßen a u f t r a t . O h n e diese E r w ä r m u n g l i e ß e n sich n u r 5000 L u x e i n s t r a h l e n . B e i dieser I n t e n s i t ä t b l i e b auch b e i E. L . NUERNBERGK der R h y t h m u s erhalten. T e m p e r a t u r - U n t e r s c h i e d e z w i s c h e n 17 u n d 27° C beeinflussen die L ä n g e der P e r i o d e n n i c h t , w i e die i n T a b e l l e 1 z u s a m m e n g e s t e l l t e n Ergebnisse erweisen. I n n e u e r e r Z e i t l i e g e n m e h r e r e B e i s p i e l e f ü r die T e m p e r a t u r - U n a b h ä n g i g k e i t der endogenen T a g e s r h y t h m e n a n Pflanzen u n d T i e r e n v o r (vgl. E. BÜNNING, 1963). D a b e i ist z u beachten, daß i m Gegensatz z u r L ä n g e der P e r i o d e n d e r e n A m p l i t u d e n sehr s t a r k t e m p e r a t u r a b h ä n g i g b l e i b e n k ö n n e n . Das h a t sich auch b e i d e n eigenen P i l z v e r s u c h e n ergeben. D e r ü b e r r a s c h e n d g e r i n g e E i n f l u ß der T e m p e r a t u r a u f die P e r i o d e n - L ä n g e (s. T a b e l l e 1) m a c h t diese ü b e r h a u p t erst z u r C h r o n o m e t r i e geeignet. N a c h d e m p h y s i k a l i s c h e F a k t o r e n , a n die z u d e n k e n n a h e l i e g e n d w a r , n i c h t die auslösende u n d steuernde Ursache der R h y t h m e n zu sein schienen, w u r d e n e i n i g e chemische F a k t o r e n der E r n ä h r u n g g e p r ü f t . E i n e E r h ö h u n g des G e h a l t s der H o l z p r o b e n a n l e i c h t

abbaubaren

K o h l e n h y d r a t e n i n F o r m v o n M a l z - E x t r a k t , der gleichzeitig

gewisse

V i t a m i n e e n t h ä l t , f ü h r t e w e d e r zu einer z e i t l i c h e n V e r ä n d e r u n g noch zu e i n e r A u f h e b u n g der R h y t h m e n . D i e Ergebnisse der

angestellten

Versuche s i n d i n T a b e l l e 2 wiedergegeben. E i n Zusatz v o n 1 % E x t r a k t h a t t e b e i C. cer ebella

Malz-

I weder einen Einfluß auf die Perioden-

L ä n g e noch a u f die v e r b r a u c h t e Sauerstoff-Menge. D u r c h e i n e n Zusatz v o n 5 o/o M a l z w u r d e d i e A t m u n g u m r d . 33 % v e r m i n d e r t . D e r S t a m m C. arida 422 zeigte m i t u n d ohne M a l z - Z u s a t z d e n g l e i chen 24 S t u n d e n - R h y t h m u s u n d k e i n e Ä n d e r u n g der A t m u n g s i n t e n s i t ä t ; 5°/oiger Zusatz v o n M a l z - E x t r a k t w i r k t e b e i diesem P i l z noch n i c h t schädigend (vgl. F i g . 7).

Rhythmen des Sauerstoffverbrauchs von Basidiomyceten

285

T a b . 2. P e r i o d e n - L ä n g e , M a x i m a l w e r t e u n d Ä n d e r u n g des Sauerstoff-Verbrauchs mehrerer Basidiomyceten-Stämme b e i verschiedenem M a l z e x t r a k t - u n d P e p t o n - Z u s a t z z u m H o l z PilzStamm

Zusatz

MalzExtrakt Coniophora cerebella I

Konz. d. Tränklösg.

PeriodenLänge

Maximale Atmung

°/o

Std.

mg 0 2 / S t d .

Änderung der Atmung °/o

0 1 5

26 25-26 26

2,4 2,3 1,6

0 - 33

0 1

2.4

5

26 0 26 52 stark wechselnd 0

Pepton 2

3.5

+ 45

2,1

- 12

1,7

- 30

0,9 1,5

+ 70

2,7 1,0 1,0

- 64 - 63

Coniophora cerebella 275

Pepton

0 1

28 0

Lentinus lepideus

Pepton

0 1 2

8-10 0 0

Lenzites trabea

Pepton

0 1 2

6-8 6-8 0

9,0 2,6;3,0 1,6

0 - 46

MalzExtrakt

0 5

24 24

3,0 3,0

0

Pepton

0 1 2

24 24 0

3.0 4,5 1.1

+ 50 - 63

Coniophora arida 422

! 1

Protein-Zusatz z u m Holz i n F o r m v o n Pepton (Peptonum siccum e caseino der F i r m a F. W i t t e , F r a n k f u r t a. M.) h a t t e indessen e i n e n ausg e p r ä g t e n E i n f l u ß a u f d i e R h y t h m e n des Sauerstoff-Verbrauchs ( T a b e l l e 2). B e i l ° / o i g e m P e p t o n - Z u s a t z t r a t e n b e i C. cerebella I u n t e r schiedliche Ergebnisse auf, d i e i n F i g . 8 w i e d e r g e g e b e n sind. E i n m a l w a r e i n 26 S t u n d e n - R h y t h m u s angedeutet, e i n m a l t r a t eine V e r d o p p e l u n g der P e r i o d e n - L ä n g e ein, u n d i n e i n e m d r i t t e n V e r s u c h b l i e b j e d e r R h y t h m u s aus. D i e A t m u n g w a r i n a l l e n F ä l l e n u m r d . 45 % e r h ö h t . W u r d e n 5 °/o P e p t o n zugegeben, b l i e b j e d e r R h y t h m u s aus, u n d d i e A t m u n g w a r u m rd. 30 °/o g e r i n g e r als b e i d e n V e r s u c h e n ohne P e p t o n . Z u hohe P e p t o n - Z u g a b e w i r k t e also w i e z u h o h e r M a l z - Z u s a t z schädigend.

286

K u r t Damaschke und Günther Becker

E i n a n d e r e r S t a m m , C. cerebello, 275, m i t e i n e r e t w a s l ä n g e r e n P e r i ode v o n 28 S t u n d e n v e r l o r b e i l ° / o i g e m P e p t o n - Z u s a t z d e n A t m u n g s r h y t h m u s ; d e r S a u e r s t o f f v e r b r a u c h w u r d e u m 70 °/o gesteigert (Tab e l l e 2). D e r P i l z C. arida 422 b e h i e l t b e i l°/oiger P e p t o n - Z u g a b e seinen R h y t h m u s b e i u n d zeigte eine E r h ö h u n g der A t m u n g u m r d . 50 °/o (Fig. 7).

10

12

14

16

18

20

22 24

Fig. 7. Sauerstoff-Verbrauch von Coniophora arida 422-Kulturen m i t K i e f e r n splintholz ohne Zusatz u n d m i t Zusatz von 5 % Malz u n d von 1 °/o Pepton bei 27° C i m Dunkeln.

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12

14

16

18 20

22

24

26 28

Fig. 8. Sauerstoff-Verbrauch von 3 Coniophora cer ebella I - K u l t u r e n m i t Kiefernsplintholz m i t 1 % Pepton-Zusatz bei 27° C i m Dunkeln.

R h y t h m e n des Sauerstoffverbrauchs von Basidiomyceten

287

B e i Lentinus lepideus w a r e n b e i 1- u n d 2°/oigem P e p t o n - Z u s a t z d i e P e r i o d e n a u f g e h o b e n u n d die M a x i m a l w e r t e der A t m u n g fast auf e i n D r i t t e l herabgesetzt. Lenzites trabea (Fig. 9) b e n ö t i g t e b e i l ° / o i g e m Zusatz eine e t w a s l ä n g e r e Z e i t als b e i u n v e r ä n d e r t e m K i e f e r n s p l i n t h o l z , bis d i e A t m u n g s p e r i o d e n einsetzten; i h r e L ä n g e w a r n i c h t v e r ä n d e r t , d e r m a x i m a l e S a u e r s t o f f - V e r b r a u c h w a r aber e t w a s herabgesetzt. E i n 2°/oiger P e p t o n - Z u s a t z f ü h r t e auch b e i diesem P i l z z u e i n e m A u f h ö r e n der P e r i oden, u n d die A t m u n g w a r a u f die H ä l f t e des V e r g l e i c h s w e r t s v e r mindert. Daß Coniophora, nicht aber Lentinus und Lenzites, durch Pepton-Zusatz i m Wachstum gefördert w i r d , entspricht den früher auf ganz andere Weise gefundenen Ergebnissen von T . H O F ( 1 9 5 0 ) und W. B A V E N D A M M ( 1 9 5 6 ) .

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20 Material und Organismen, Beiheft 1

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306

A k i n o r i Ueyama

w o o d blocks t h a n t h e v o l u m e of w o o d blocks. S i m i l a r t r e n d s are s h o w n b y t h e results of 60 days decay test. 2) C o n s i d e r a t i o n s of results expressed as loss i n w e i g h t : T h e sample blocks w e r e p r e p a r e d so t h a t t h e r a t i o of a n y a d j a c e n t p l o t s is V2. A s t h e m y c e l i u m of decay f u n g i d e v e l o p e d v i g o r o u s l y a n d e q u a l l y on agar m e d i u m , each f l a s k c o n t a i n s t h e same f u n g a l a c t i v i t y . So, t h e n e x t q u e s t i o n arises. H o w m u c h w a s t h e decay r a t e i n f l u e n c e d b y block size? I n o t h e r w o r d s , t h e issue is w h e t h e r t h e r a t i o of r e duced w e i g h t i n a d j a c e n t w o o d block sizes a f t e r t h e decay test is V2 o r not. I t is clear t h a t t h e s m a l l e r sized block gives m o r e r a p i d decrease of w e i g h t , b u t , at t h e same t i m e , a w i d e r r a n g e of e x p e r i m e n t a l errors. C o n s e q u e n t l y , l a r g e r w o o d blocks s h o u l d be e m p l o y e d w h i c h s h o w a s t r a i g h t l i n e r e l a t i o n b e t w e e n v o l u m e a n d r a t e of decay w i t h i n d e f i n i t e i n c u b a t i o n periods. J u d g i n g f r o m F i g . 2 a n d 3, t h e i d e a l b l o c k sizes are as f o l l o w s : 1) F o r 30 days decay test: 4 c m 3 b l o c k h a v i n g t h e size of 0.5 c m X 2 cm X 4 cm (radial X tangential X longitudinal). 2) F o r 60 days test: 8 c m 3 block h a v i n g t h e size of 1 c m X 2 c m X 4 cm. 3) W h e n p e r c e n t loss i n w e i g h t (°/o) d r o p p e d to a b o u t V3, t h e c o m pressive s t r e n g t h p a r a l l e l to t h e g r a i n i n d e c a y i n g w o o d w a s t o t a l l y destroyed. T h e d r o p of m e c h a n i c a l s t r e n g t h of d e c a y i n g w o o d w a s discussed elsewhere (A. UEYAMA, 1961). 20 days a f t e r i n o c u l a t i o n , i n creasing d r o p of compressive s t r e n g t h p a r a l l e l to t h e g r a i n w a s g i v e n i n 2 c m X 2 c m X 4 c m blocks. I t is reasonable t h a t t h e r a t e of decay is i n f l u e n c e d b y t h e r a t e at w h i c h CO2 diffuses o u t of a n d O2 i n t o w o o d . I n t h i s sense, to c o m p a r e t h e decay r e s i s t a l e , v e r y t h i n test blocks s h o u l d be used i n o r d e r t o o b t a i n m e a s u r a b l e w e i g h t losses or p r e s e r v a t i v e values.

Summary I n t h e present paper t h e c u t t i n g d i r e c t i o n a n d t h e size effect of beech w o o d blocks (Fagus crenata) f o r l a b o r a t o r y decay tests w e r e i n v e s t i gated. A s s h o w n i n T a b . 1 a n d 2, a n d F i g . 2 a n d 3, t h e m o s t p r o f i t a b l e block size w a s as f o l l o w s : 1) F o r 30 days decay test: 4 c m 3 b l o c k h a v i n g t h e size of 0.5 c m X 2 cm X 4 cm (radial X tangential X longitudinal). 2) F o r 60 days decay test: 8 c m 3 b l o c k h a v i n g t h e size of 1 c m X 2 c m X 4 cm.

The Size Effect of Sample Blocks on Dacay Rate of Beech Wood

307

Zusammenfassung Der Einfluß der Probengröße auf die Geschwindigkeit des im Laboratorium durch Pilze verursachten Abbaus von Buchenholz (Fagus crenata) I n der vorliegenden A r b e i t werden die Ergebnisse einer Untersuchung über die Bedeutung der Schnittrichtung und der Größe von Buchenholz-Klötzchen (Fagus crenata) bei Laboratoriumsversuchen m i t Pilzen dargestellt. Günstigste Klötzchengröße w a r die folgende: 1. für 30 Tage Versuchszeit: ein Klötzchen von 4 cm 3 m i t den Abmessungen 0,5 cm X 2 cm X 4 cm (Angabe i n radialer Richtung X tangentialer Richtung X longitudinaler Richtung) ; 2. für 60 Ta^e Versuchszeit: ein Klötzchen von 8 cm 3 m i t den Abmessungen 1 cm X 2 cm X 4 cm.

Résumé L'influence des dimensions des echantillons sur la décomposition du bois de hètre (Fagus crenata) dans le laboratoi're Dans ce papier les rósultats d'une recherche sont dócrits qui avaient pour but d'étudier l'importance de la direction des sections et des dimensions des blochets de hètre (Fagus crenata) sur des essais laboratoires sur la décomposition du bois par des champignons. Les dimensions meilleures ctaient: 1. pour une durce des escais de 30 jours: u n blochet de 4 cm 3 avec l e i dimensions 0.5 cm X 2 cm Χ 4 cm (section radiale χ section tangentiale χ section longitudinale); 2. pour une durce des essais de 60 jours: u n blochet de 8 cm 3 avec les dimensions 1 cm X 2 cm X 4 cm.

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Address of the author: Prof. Dr.

AKTNORI UEYAMA

Pesticide Res. Inst. Faculty of Agriculture, Kyoto University, Kyoto, Japan

O r g a n i s m I n t e r a c t i o n s i n Decay a n d D i s c o l o r a t i o n i n Beech, B i r c h , and M a p l e By

ALEX L .

SHIGO

Northeastern Forest Experiment Station Forest Service, U. S. Dept. Agriculture Durham, Ν . H. (USA)

Introduction H y m e n o m y c e t o u s f u n g i are t h e p r i n c i p a l o r g a n i s m s t h a t h a v e been considered i n past research o n w o o d decay (J. S. BOYCE, 1961). I n d e e d f e w o t h e r organisms, except some of t h e X y l a r i a c e a e (W. MERRILL, D . W . FRENCH

and

F. A.

WOOD,

1964)

and

a

few

non-hymenomycetes

(J. G .

SAVORY, 1954; C. G. DUNCAN, 1960), p r o d u c e enzymes capable of d i g e s t i n g w o o d . T h e e x i s t i n g i n f o r m a t i o n is m a i n l y a b o u t decay b y f u n g i of s t e r i l i z e d w o o d blocks i n t h e l a b o r a t o r y . B u t v e r y l i t t l e i n f o r m a t i o n is a v a i l a b l e a b o u t decay processes i n l i v i n g trees. W h a t is k n o w n concerns m a i n l y t h e final stages. Studies t y p i c a l l y h a v e d e a l t w i t h c u l l f o l l o w i n g fire i n j u r i e s (E. R. TOOLE, 1959; G. H.

HEPTING,

1935),

logging

wounds

(E. WRIGHT

and

A.

ISAAC,

1956;

G . A . HESTERBERG, 1 9 5 7 ) , p r u n i n g w o u n d s ( E . R . R O T H , 1 9 4 8 ; D . D . S K I L L I N G ,

1958), a n d w o u n d s caused b y t h i n n i n g of sprouts (E. R. ROTH, 1956). E v e n less a t t e n t i o n has been g i v e n to d i s c o l o r a t i o n s i n l i v i n g trees. A l t h o u g h m a n y r e p o r t s m e n t i o n e d d i s c o l o r a t i o n i n l i v i n g trees (V. J. NORDIN,

1954;

G. H .

HEPTING, E . R .

ROTH a n d

B.

SLEETH,

1949),

further

research w a s n o t conducted. D i s c o l o r a t i o n s h a v e been p r i m a r i l y t h e research r e s p o n s i b i l i t y of t h e p r o d u c t s p a t h o l o g i s t s (T. C. SCHEFFER a n d R. M . LINDGREN, 1940). Y e t a n y o n e w h o has ever c u l t u r e d organisms f r o m decayed areas i n l i v i n g trees has e n c o u n t e r e d m a n y b a c t e r i a a n d non-hymenomycetous fungi along w i t h hymenomycetes. Recognition of t h e possible i m p o r t a n c e of o t h e r w o o d - i n h a b i t i n g o r g a n i s m s is i n c r e a s i n g ( D . E . ETHERIDGE, 1 9 5 7 ; Η . M . GOOD a n d J . I . NELSON, 1 9 6 2 ; A . L . SHIGO,

1963).

M o r e emphasis needs t o be g i v e n to t h e e a r l i e r stages of t h e decay a n d d i s c o l o r a t i o n processes as t h e y occur i n l i v i n g trees. A t t e m p t s h a v e

Alex L. Shigo

310

been m a d e to d e t e r m i n e t h e g r o w t h rate of h y m e n o m y c e t e s i n l i v i n g t r e e s (R. R. HIRT, 1949; S. B . SILVEEBORG, 1959). I n t h e s e s t u d i e s ,

only

t h o s e f u n g i u s e d as i n o c u l u m w e r e c o n s i d e r e d i n t h e r e s u l t s . I f

other

organisms are i n v o l v e d , w h a t are t h e y a n d w h a t role do t h e y p l a y i n t h e d i s c o l o r a t i o n a n d d e c a y processes? Our

studies indicate t h a t

interactions

of m a n y

organisms

besides

h y m e n o m y c e t e s a r e i n v o l v e d i n t h e s e processes. T h e p u r p o s e o f

this

p a p e r is t o p o i n t o u t some of these i n t e r a c t i o n s a n d t o i l l u s t r a t e

that

bacteria, non-hymenomycetes,

and hymenomycetes are all

important

Fig. 2. Phialophores of Phialophora sp. producing spores in a vessel in discolored tissues from a living red maple.

Fig. 1. Dissection of a red maple. The column of dark decay yielded F. connatus, and the column of light decay yielded F. igniarius. The decay was surrounded by moist, dark discolored tissues that yielded bacteria and non-hymenomycetes.

Organism Interactions i n Decay and Discoloration

311

i n t h e processes t h a t l e a d to decay a n d d i s c o l o r a t i o n i n beech, b i r c h , a n d m a p l e . D a t a f r o m several studies are s u m m a r i z e d .

Materials and Methods F r o m 1959 to 1964 i n v e s t i g a t i o n s of decay a n d d i s c o l o r a t i o n w e r e c o n d u c t e d i n N e w H a m p s h i r e , U . S . A . , i n m o r e t h a n 1.000 n o r t h e r n h a r d w o o d trees: A m e r i c a n beech (Fagus grandifolia Ehrh.), y e l l o w birch (Betula alleghaniensis B r i t t . ) , p a p e r b i r c h (B. papyrifera Marsh.), sugar L.). m a p l e (Acer saccharum Marsh.), a n d r e d m a p l e (A. rubrum Most of the trees were more than 6 inches d. b. h., and all bore obvious infection courts including branch stubs, stem stubs, parent stumps of sprouts, cracks, and wounds caused by logging, fire, squirrels, insects, and sapsuckers. The trees were studied carefully both before they were cut, and later during and after dissection. The larger trees were dissected longitudinally w i t h a one-man chainsaw (Fig. 1). More than 70.00-0 isolations for microorganisms were made from healthy and. diseased tissues on a 2 % agar medium consisting of 10 g malt extract and 2 g yeast extract/liter.

Results S q u i r r e l s w o u n d e d t h e trees f r o m F e b r u a r y t o A p r i l d u r i n g s a p f l o w . T h e surfaces of t h e f r e s h w o u n d s w e r e colonized b y m a n y organisms. Yeasts w e r e associated o n l y w i t h fresh w o u n d s h a v i n g m o i s t surface tissues, w h i l e Hypoxylon spp. a n d Phialophora spp. w e r e c u l t u r ed o n l y f r o m o l d e r w o u n d s w i t h discolored tissues. These d i s c o l o r a t i o n s v a r i e d f r o m g r e e n - b l a c k to b r i g h t green. B a c t e r i a w e r e c u l t u r e d frequently f r o m all the wounds. B r a n c h s t u b s w e r e t h e p r i n c i p a l i n f e c t i o n courts o n sprouts of A. rubrum . N o n - h y m e n o m y c e t e s w e r e associated m o r e f r e q u e n t l y w i t h t h e p i t h a n d s u r r o u n d i n g tissues i n y o u n g stems of A. rubrum than w i t h A. saccharum. N o n - h y m e n o m y c e t e s also w e r e t h e p r i n c i n a l o r g a n i s m s c u l t u r e d f r o m A. rubrum s p r o u t s over 10 years old. T h e p r i n c i p a l n o n - h y m e n o m y c e t e s c u l t u r e d f r o m discolored tissues associated w i t h a l l t v p e s of i n f e c t i o n courts on a l l species of n o r t h e r n h a r d w o o d s w e r e Phialophora spp., especially P. melinii (Nannfeldt) Conant; Trichocladium canadense Hughes, a n d Hypoxylon spp., especially H . decipiens Sacc. w a s rubiginosum Per. ex F r i e s (Tab. 1). Cytospora c u l t u r e d f r e q u e n t l y , b u t o n l y f r o m d i s c o l o r a t i o n s i n A. rubrum. C. decipiens w a s c u l t u r e d f r e q u e n t l y f r o m t h e c e n t r a l c o l u m n of d i s c o l o r a t i o n i n m a t u r e , v i g o r o u s trees w i t h l i t t l e decay. Tissues t h a t y i e l d e d these f u n g i u s u a l l y w e r e r e d - b r o w n to t a n ( H y p o x y l o n spp.), t a n to g r e e n - b l a c k (Phialophora spp.)t t a n t o r e d - b r o w n (T. canadense), and p i n k t o p i n k - b r o w n (C. decipiens).

A l e x L. Shigo

312

T a b . 1. F r e q u e n c y of o r g a n i s m s c u l t u r e d f r o m d i s c o l o r e d tissues t h a t s u r r o u n d e d decay c o l u m n s caused b y 4 h y m e n o m y c e t e s i n 140 trees. Numbers of trees that yielded Hymenomycetes and other organisms Fomes igniarius (All northern hardwoods)

Organism

Polyporus glomeratus ( Acer rubrum)

Porta obliqua (Betula spp.)

Pholiota squarrosaadiposa (Betula spp.)

Hymenomycetes

66

21

21

28

Bacteria

63

21

24

27

56

20

22

26

15

H

13

19

Non-hymenomyceteö Phialophora

spp

...

Trichocladium canadense

22

14

11

20

Hypoxylon

25

10

3

4

spp

The p r i n c i p a l bacteria cultured were g r a m negative, motile, short rods t h a t p r o d u c e d a n a b u n d a n c e of s l i m e . S e v e r a l of these b a c t e r i a w e r e i d e n t i f i e d t e n t a t i v e l y as species i n t h e genus Pseudomonas. Bact e r i a w e r e c u l t u r e d f r o m tissues r a n g i n g i n color f r o m l i g h t y e l l o w t o d a r k tan. T h e organisms associated w i t h b r a n c h stubs, except Hypoxylon spp.y f i r s t i n f e c t e d t h e p i t h a n d s u r r o u n d i n g tissues. M i c r o s c o p i c e x a m i n a t i o n of these tissues r e v e a l e d p h i a l o p h o r e s p r o d u c i n g spores, a n d b a c t e r i a (Fig. 2). Tissues i n f e c t e d b y b a c t e r i a a n d Phialophora spp. a n d T. canadense w e r e d a r k e r a n d m o r e m o i s t t h a n h e a l t h y tissues (Fig. 1). Tissues i n f e c t e d b y C. decipiens w e r e bleached at f i r s t a n d l a t e r t u r n e d p i n k . B a c t e r i a w e r e associated i n t i m a t e l y w i t h a l l these f u n g i i n t h e l i v i n g trees, a n d w o o d chips used f o r i s o l a t i o n s o f t e n y i e l d e d b o t h b a c t e r i a a n d n o n - h y m e n o m y c e t e s (Fig. 3). M o s t isolations f r o m d i s c o l o r e d tissues associated w i t h i n f e c t i o n c o u r t s less t h a n 5 years o l d y i e l d e d organisms. H i s t o l o g i c a l e x a m i n a t i o n of discolored tissues f r o m l i v i n g trees r e v e a l e d h y p h a e i n cells t h a t w e r e p r o d u c i n g d a r k substances (Fig. 4), especially r a y cells. U s u a l l y d i s c o l o r e d tissues n o t y i e l d i n g o r g a n i s m s w e r e those l o c a t e d nearest to h e a l t h y tissues. T h e r a t e of d e v e l o p m e n t of d i s c o l o r a t i o n s associated w i t h a v a r i e t y of i n f e c t i o n courts o n d i f f e r e n t trees v a r i e d g r e a t l y . Some l a r g e 13y e a r - o l d l o g g i n g w o u n d s on r e d m a p l e trees o v e r 10 i n . d.b.h. h a d v e r y l i t t l e d i s c o l o r a t i o n associated w i t h t h e m (Fig. 5). I n some

Organism Interactions i n Decay and Discoloration

313

cases, w h e r e Nectria galligena Bres. h a d i n f e c t e d t h e w o u n d s , t h e d i s c o l o r e d tissues b e n e a t h t h e w o u n d surface w e r e h a r d a n d d r y . had hard, A l s o , some l o g g i n g w o u n d s n o t i n f e c t e d b y N. galligena d r y w o u n d surfaces w i t h v e r y l i t t l e associated d i s c o l o r a t i o n (Fig. 6). O n t h e o t h e r h a n d , d i s c o l o r a t i o n d e v e l o p e d r a p i d l y i n some trees, a n d especially i n association w i t h b r a n c h stubs. D i s c o l o r e d streaks a d v a n c i n g f r o m dead b r a n c h stubs o f t e n coalesced. M a t u r e trees b e a r i n g f e w s m a l l i n f e c t i o n courts c o n t a i n e d l i g h t - c o l o r e d w o o d f r o m t h e c a m b i u m to t h e p i t h (Fig. 5, 6). D i s c o l o r e d tissues f o r m e d o n l y a f t e r an i n f e c t i o n c o u r t w a s created. A n d — m o s t i m p o r t a n t — w o o d tissues f o r m e d a f t e r t h e i n f e c t i o n

Fig. 3. Bacteria and T. canadense growing together i n culture.

Fig. 4. Hyphae of a fungus growing through ray cells that were producing dark substances. Fig. 5. Dissection of a red maple; 2 large 13-year-old wounds w i t h very l i t t l e discoloration, perithecia of N. galligena on the callus. Few other defects i n the tree; wood clear from the cambium to the pith.

314

A l e x L. Shigo

Fig. 6. Very l i t t l e discoloration was associated w i t h the hard, dry wound of this sugar maple. The branch stubs were w e l l healed and the dark central discoloration was small. c o u r t w a s created w e r e s e l d o m infected. Therefore, t h e greatest d i a m e t e r a t t a i n e d b y t h e d i s c o l o r e d c o l u m n u s u a l l y w a s t h e d i a m e t e r of t h e t r e e w h e n i n f e c t i o n courts w e r e created. A l l degrees of d i s c o l o r a t i o n f r o m n o n e to t o t a l i n v o l v e m e n t of those tissues present at t h e t i m e of w o u n d i n g w e r e observed. O b s e r v a t i o n s a n d t h e results of s t a t i s t i c a l analyses i n d i c a t e d t h a t t h e e x t e n t of t h e d e v e l o p m e n t depended o n m a n y factors, especially t i m e a n d organisms. I n t h e l a b o r a t o r y , d i s c o l o r a t i o n s s i m i l a r to those i n l i v i n g trees f o r m e d i n u n a u t o c l a v e d f r e s h l y c u t stem sections i n o c u l a t e d w i t h t h e p r i n c i p a l n o n - h y m e n o m y c e t e s . I n contrast, t h e c o n t r o l s r e m a i n e d clear. Hypoxylon spp. u s u a l l y w e r e t h e f i r s t f u n g i to cause decay. These f u n g i w e r e c u l t u r e d f r e q u e n t l y f r o m a r e d a n d w h i t e m o t t l e d decay a n d d i s c o l o r a t i o n associated w i t h i n f e c t i o n courts u s u a l l y less t h a n 8 years o l d a n d t h e i r s t r o m a t a f o r m e d o n l o g g i n g w o u n d s a n d b r a n c h stubs w i t h i n t h i s t i m e . Stereuw, complicatum (Fr.) F r . a n d Polyporus versicolor L . ex F r . w e r e u s u a l l y t h e f i r s t h y m e n o m y c e t e s t o i n f e c t l o g g i n g w o u n d s , a n d t h e i r sporophores w e r e o f t e n f o u n d beside s t r o m a t a of Hypoxylon spp. o n t h e w o u n d s . S t r o m a t a also o c c u r r e d o n w o u n d s t h a t b o r e sporophores of f u n g i associated w i t h m o r e a d v a n c e d decay, especially Fomes igniarius L . (Gill.) a n d F. applanatus (Pers. ex Wallr.) Gill. T h e h y m e n o m y c e t e s i n v a d e d o n l y discolored tissues a l r e a d y i n h a b i t e d b y o t h e r organisms, especially b a c t e r i a a n d n o n - h y m e n o m y cetes. T h e r a d i a l e x t e n t of t h e decay c o l u m n u s u a l l y w a s l i m i t e d t o t h i s p r e v i o u s l y - f o r m e d c o l u m n of d i s c o l o r a t i o n (Fig. 1). W h i l e t h e

Organism Interactions i n Decay and Discoloration

315

h y m e n o m y c e t e s w e r e a c t i v e l y causing decay, t h e decay c o l u m n w a s s u r r o u n d e d b y d i s c o l o r e d tissues t h a t y i e l d e d e i t h e r bacteria, n o n h y m e n o m y c e t e s , or b o t h (Tab. 1). A f t e r h y m e n o m y c e t e s h a d c o m p l e t e l y digested t h e d i s c o l o r e d tissues, t h e w a l l s of t h e h o l l o w e d c o l u m n became h a r d a n d d r y a n d y i e l d e d n o n e of t h e o r g a n i s m s c i t e d above. T h e d i a m e t e r s of such h o l l o w e d c o l u m n s corresponded t o t h e d i a m e t e r s of t h e d i s c o l o r e d c o l u m n s , w h i c h , i n t u r n , corresponded to t h e d i a m e t e r s of t h e trees w h e n t h e i n f e c t i o n courts w e r e created. E x c e p t i o n s to t h e p a t t e r n of decay a n d d i s c o l o r a t i o n g i v e n above w e r e encountered, especially i f w o u n d s w e r e i n f e c t e d b y Poria obliqua (Pers.) Bres. a n d Polyporus glomeratus Peck. These o r g a n i s m s i n f e c t e d t h e n e w tissues t h a t f o r m e d a r o u n d t h e i n f e c t i o n courts. B u t , e v e n w h e n t h i s occurred, t h e decay s t i l l w a s s u r r o u n d e d b y m o i s t discolored tissues t h a t h a d a h i g h p H , a n d y i e l d e d b a c t e r i a a n d n o n - h y m e n o m y cetes (Tab. 1). O f t e n several h y m e n o m y c e t e s w e r e c u l t u r e d f r o m t h e same decay c o l u m n . I n one t r e e f o r e x a m p l e , a decay c o l u m n caused b y Fomes connatus ( W e i n m . ) G i l l , d e v e l o p e d w i t h i n t h e decay c o l u m n caused b y F. igniarius, w h i c h w a s s u r r o u n d e d b y d i s c o l o r e d tissues t h a t y i e l d e d b a c t e r i a a n d n o n - h y m e n o m y c e t e s (Fig. 1). S w o l l e n k n o t s f o r m e d b y P. glomeratus occasionally b o r e sporophores of F. igniarius. Sporophores of several h y m e n o m y c e t e s o n t h e same w o u n d w e r e c o m m o n . T a b . 2. N u m b e r s of i s o l a t i o n s t h a t y i e l d e d b a c t e r i a f r o m n o n - d i s c o l o r e d tissues c o n t i g u o u s t o d i s c o l o r a t i o n s i n 27 trees. Distance i n Vie-inch units from discolored tissues that isolations were made

Numbers of isolations from Acer

rubrum

Betula alleghaniensis

Fagus grandifolia

total

yielding bacteria

total

1

63

18

16

2

56

12

27

3

29

3

15

4

20

:

5

5

5

8

!!

ο

!;

5

6

4

•

!

ο

1

1 yield! ing bacteria 1

! i 1 i

!

yielding bacteria

total

^9

14

2

17

4

1

22

2

1

25

0

13

2

ο

!

!

12

6 !

1 1

Organisms, especially b a c t e r i a , w e r e c u l t u r e d occasionally f r o m t h e n o n - d i s c o l o r e d tissues c o n t i g u o u s t o d i s c o l o r a t i o n s (Tab. 2) a n d f r o m n o n - d i s c o l o r e d tissues i n o t h e r p o r t i o n s of t h e b o l e (Tab. 3).

316

A l e x L . Shigo T a b . 3. O r g a n i s m s c u l t u r e d f r o m n o n - d i s c o l o r e d w o o d . Numbers of Isolations Tree

Fagus grandifolia

total

yielding bacteria

yielding non-hymenomycetes

54

13

2 18

Acer rubrum

eo

4

Acer saccharum

60

10

1

1

0

2

0

Betula alleghaniensis Betula

papyrifera

...

48

1

48

j 1

Fig. 7. Bacteria and C. decipiens grew w e l l together i n culture. These organisms were cultured from the same tissues.

Fig. 8. Bacteria inhibited the g r o w t h of F. igniarius i n culture. The bact e r i u m was cultured from discolored tissues bordering decay that yielded this fungus.

I n culture, bacteria and non-hymenomycetes grew w e l l together (Fig. 7), b u t b a c t e r i a sometimes i n h i b i t e d g r o w t h of h y m e n o m y c e t e s (Fig. 8). Fomes igniarius a n d P. obliqua w e r e n o t i n h i b i t e d b y P. melinii u n t i l t h e f u n g i m a d e c o n t a c t w i t h each o t h e r . B a c t e r i a i s o l a t e d f r o m t h e discolored tissues s u r r o u n d i n g t h e decay caused b y F. igniarius a r r e s t e d g r o w t h of F. igniarius i n culture even w h e n the organisms w e r e n o t g r o w i n g close to each o t h e r (Fig. 8). W h e n F. igniarius grew alone i n c u l t u r e no p i g m e n t f o r m e d i n t h e agar; b u t w h e n i t g r e w n e a r bacteria, t h e agar a n d m y c e l i u m became d a r k . T h e b a c t e r i a i s o l a t e d f r e q u e n t l y f r o m t h e d i s c o l o r e d tissues s u r r o u n d i n g P. obliqua h a d l i t t l e effect o n g r o w t h of t h e f u n g u s . O n e of t h e m o s t aggressive o r g a n i s m s i n c u l t u r e w a s C. decipiens. I t g r e w w e l l w i t h t h e p r i n c i p a l b a c t e r i a (Fig. 7), a n d i n h i b i t e d g r o w t h of m a n y n o n - h y m e n o m y c e t e s and hymenomycetes.

Organism Interactions i n Decay and Discoloration

317

P i g m e n t a t i o n , g r o w t h , a n d p H of t h e m e d i u m of C. decipiens and P. melinii w e r e affected b y t h e c o n c e n t r a t i o n of c e r t a i n m i c r o e l e m e n t s i n t h e m e d i u m (Tab. 4). These f u n g i w e r e w h i t e a n d t h e f i l t r a t e w a s clear i n a l i q u i d m e d i u m c o n s i s t i n g of 5 g glucose a n d 1 g yeast e x t r a c t / l i t e r . B u t w h e n m i n u t e a m o u n t s of manganese or c a l c i u m w e r e a d d e d to t h i s m e d i u m , C. decipiens p r o d u c e d a deep r e d p i g m e n t a n d P. melinii p r o d u c e d a b l a c k to g r e e n - b l a c k p i g m e n t . T a b . 4. G r o w t h , f i l t r a t e p H , a n d p i g m e n t a t i o n of Cytospora a n d Phialophora

melinii

decipiens

i n t w o l i q u i d m e d i a : 5 g glucose a n d 1 g yeast

e x t r a c t / l i t e r (5 — 1) a n d 5 — 1 p l u s 1 p a r t p e r 100 m i l l i o n of manganese (5_1+Mn)a), b)

Days of g r o w t h when harvested 3

Cytospora

decipiens

Phialophora meidia

meidia 5—1 +Mn

5—1

melinii 5—1 +Μη

5—1

mgdrywt. pH mgdrywt. pH mgdrywt. pH mgdrywt. pH 1 5 4 5.4 4 49 49 5 5.3 1 11

4.9

12

4.8

12

4.2

12

4.2

5

20

4.3

27d)

16*)

3.9

23

4.1

34

14 15

4.0

6

4.3 ! 4.0

38

20

3.7

7

24

4.1

38*)

4.1

17

3.8

23h)

3.7

10

30c)

4.2

37

3.8

18

3.7

28

3.8

12

30

41

40

3.7

210

3.7

36

3.9

4

14

35

40

AO

37

25

3.7

39

4.1

17

35

40

30

4.4

27

39

47

6.1

20

35

4.2

38

5.1

38

5.0

44

68

24

35

5.2

40

5.5

44

1.8

40

7.5

26

35

5.8

39

5.8

41

6.6

39

7.1

28

34

5.4

37

5.9

37

7.1

38

74

a) 3 flas'-s of each at each harvest. — b) 5.6 initial pH of med'a. — c) Filtrate clear, mycelium gray-green. — d) Filtrate light red. — e) Filtrate red. — f) Mycelium and filtrate cream. — g) Mycelium gray, filtrate clear. — h) Mycelium green-black.

P. melinii r e a d i l y u t i l i z e d 7 d i f f e r e n t n i t r o g e n sources, i n c l u d i n g p o t a s s i u m n i t r a t e , b u t o n l y yeast e x t r a c t satisfied t h e g r o w t h r e q u i r e m e n t s of C. decipiens (Tab. 5). F o r C. decipiens the o p t i m u m p H was 3.5 w i t h yeast e x t r a c t as t h e n i t r o g e n source, w h i l e P. melinii grew w e l l w i t h g l u t a m i c a c i d at a p H of 7.8 a n d w i t h a m m o n i u m n i t r a t e at a p H of 2.6. T h e g r o w t h of C. decipiens was j e l l y - l i k e i n all media

A l e x L . Shigo

318

except w h e r e yeast e x t r a c t w a s used, a n d t h e r e w a s l i t t l e to no p i g m e n t a t i o n i n a l l m e d i a . P. melinii formed a f i r m pad i n all media a n d t h e m y c e l i u m w a s d a r k , especially i n t h e m e d i u m w i t h p o t a s s i u m nitrate. T a b . 5. G r o w t h a n d p H of Cytospora decipiens a n d Phialophora melinii i n m e d i a l h a v i n g 7 d i f f e r e n t sources of n i t r o g e n . C. decipiens

Nitrogen source

b

dry w t . )

c

pH )

P. melinii Days

dry wt.l>)

pHc)

Days

Asparagine

36

6.1

26

51

6.0

Glutamic acid

34

4.8

26

59

7.8

8

Glycine

42

6.0

21

34

7.2

11

Yeast extract

85

3.5

7

62

4.5

8

1

4.8

33

33

7.1

8

A m m o n i u m tartrate

36

5.5

36

54

3.0

6

A m m o n i u m nitrate

31

2.7

26

59

2.6

6

No added nitrogen

0.8

4.3

18

0.5

6.0

15

Potassium nitrate

8

i a) Basal medium, per liter: glucose, 5 g; KH.,P0 4 , lg; MgSOj · 7 H 2 0 , 0.5 g; Fe, 0.1 mg; Ζ η, 0.1 m?; Μη, 0.5 mg; Ca, 10 mg; Thiamine, 100 / g; Biotin, 5 / g; nitrogen, equivalent to that in 1 g of Asparagine. — b) Greatest mycelial dry weight attained. — c) Initial p H of all madia approxymately 6.

Conclusion and Discussion T h e w o o d - l i v i n g b a r k i n t e r f a c e is d i s r u p t e d u p o n c r e a t i o n of a n i n f e c t i o n c o u r t . M e c h a n i c a l w o u n d s t o stems expose w o o d . W h e n branches are b r o k e n , t h e p i t h is exposed also. C e r t a i n p h y s i o l o g i c a l processes b e g i n i n cells f o l l o w i n g i n j u r y p r i o r to i n v a s i o n b y organisms. I n m a n y p l a n t s t h e c e l l u l a r phenols are o x i d i z e d a n d p o l y m e r i z e d s u b s e q u e n t l y to p o l y p h e n o l s . Some of these m a t e r i a l s are t h o u g h t to cause a p r o t e c t i v e effect

( A . B . FRANK, 1 8 9 5 ; H . ZYCHA 1 9 4 8 ; E . JORGEN-

SEN, 1 9 6 2 ) . Μ . BÜSGEN a n d E . M Ü N C H ( 1 9 3 1 ) c o n s i d e r e d t h i s

when

they

discussed " p r o t e c t i v e h e a r t w o o d " . T h e p r o t e c t i v e zone t h a t f o r m e d a f t e r f i r e w o u n d s m a y be a n o t h e r e x a m p l e (G. H . HEPTING a n d D . J. BLAISDELL, 1936). Changes i n a i r a n d m o i s t u r e t h a t r e s u l t f r o m w o u n d s p r o b a b l y i n i t i a t e t h e p r o d u c t i o n of p o l y p h e n o l s ( A . FREY-WYSSLING a n d Η . H . BOSSHARD, 1 9 5 9 ) .

I t is d i f f i c u l t to state h o w f a r t h e p r o t e c t i v e processes ensue before m i c r o o r g a n i s m s become i n v o l v e d . T h e t i m e b e t w e e n i n i t i a t i o n of p r o t e c t i v e processes a n d a r r i v a l at i n f e c t i o n courts of o r g a n i s m s capable

Organism Interactions i n Decay and Discoloration

319

f i r s t of c o m p e t i n g w i t h o t h e r o r g a n i s m s a n d second of i n f e c t i n g l i v i n g cells m a y be t h e p r i n c i p a l f a c t o r a f f e c t i n g t h e d e s t r u c t i v e processes. T i m e of y e a r w h e n i n f e c t i o n courts are created m a y be a n i m p o r t a n t f a c t o r a f f e c t i n g p r o d u c t i o n of t h e p r o t e c t i v e substances. T h e h e a l i n g of p r u n i n g w o u n d s o n oak (E. R. ROTH, 1948) a n d m e c h a n i c a l w o u n d s o n several h a r d w o o d species (R. P. MARSHALL, 1931) w a s affected b y season of y e a r . T h e fact t h a t some m a t u r e trees h e a l t h e i r b r a n c h a n d m e c h a n i c a l w o u n d s w i t h v e r y l i t t l e associated decay a n d d i s c o l o r a t i o n suggests t h a t t h e p r o t e c t i v e b a r r i e r s m a y be effective sometimes. O n t h e o t h e r h a n d , t h e fact t h a t m a n y m a t u r e trees h a v e e x t e n s i v e c o l u m n s of decay a n d d i s c o l o r a t i o n associated w i t h i n f e c t i o n courts suggests t h a t t h e p r o t e c t i v e b a r r i e r s , i f f o r m e d , are n o t a l w a y s effective. V a r i a t i o n s i n t h e a m o u n t of i n t e r n a l defect b e t w e e n these t w o e x t r e m e s suggest that m a n y different pathways m a y exist that lead to different types a n d a m o u n t s of defect. I s o l a t i o n s f r o m recent w o u n d s y i e l d e d b a c t e r i a a n d m a n y species of n o n - h y m e n o m y c e t e s . A s t h e ages of t h e w o u n d s increased, t h e succession of o r g a n i s m s w a s e v i d e n t . A s t r u g g l e f o r s u r v i v a l o n t h e i n f e c t i o n courts p r o b a b l y occurred. Some of t h e o r g a n i s m s i n v o l v e d are n o t p a r a s i t i c on trees b u t o n o t h e r f u n g i . F o r e x a m p l e ; o n beech t h e coccinea var. faginata L o h m . Wats. & A y e r s . is a t p a r a s i t e Nectria tacked b y t h e m y c o p a r a s i t e Gonatorrhodiella highlei S m i t h (Τ. T . AYERS, 1 9 4 1 ; W . B L Y T H , 1 9 4 9 ; A . L . SHIGO, 1 9 6 4 ) .

M a n y l a r g e l o g g i n g w o u n d s h a d v e r y l i t t l e defect r e l a t e d to t h e m . Nectria

galligena

m o s t Nectria

w a s associated w i t h some of these. T h e w o o d b e h i n d

cankers is s o u n d a n d is f a i r l y resistant to decay (R. W .

BRANDT, 1964). T h e f u n g u s r e q u i r e s a special t y p e of i n f e c t i o n

court

(M. LORTIE, 1964); and, once i t infects, a p p a r e n t l y f e w o t h e r o r g a n i s m s can do l i k e w i s e . T h e f u n g u s is v e r y p a t h o g e n i c b u t n o t

aggressive.

T h i s c o n d i t i o n has been discussed b y H . L . BARNETT (1959). B a c t e r i a w e r e c u l t u r e d f r e q u e n t l y f r o m a l l ages a n d t y p e s of w o u n d s . H i g h m o i s t u r e a n d p H w e r e characteristic of t h e discolored tissues t h a t y i e l d e d these organisms. Such zones are t e r m e d w e t w o o d ( C . HARTLEY,

R . W . DAVIDSON

and

B . S . CRANDALL,

1961).

C . G . DUNCAN

(1960) d e m o n s t r a t e d t h a t h y m e n o m y c e t e s g r e w p o o r l y , a n d s o f t - r o t f u n g i g r e w v e r y w e l l u n d e r such c o n d i t i o n s . I n o u r studies, b a c t e r i a w e r e associated i n t i m a t e l y w i t h t h e p r i n c i p a l n o n - h y m e n o m y c e t e s t h a t w e r e t h e f i r s t to i n f e c t t h e tree. P o s s i b l y h y m e n o m y c e t e s c a n n o t i n v a d e u n t i l t h e h i g h m o i s t u r e a n d p H of t h e w o o d are b o t h l o w e r e d . H y m e n o m y c e t e s d i d n o t a l w a y s i n f e c t d i s c o l o r e d tissues; c o n t i n u e d h i g h m o i s t u r e a n d p H m a y be t h e reason.

A l e x L . Shigo

320

The principal bacteria cultured were motile, suggesting that their movement through the tissues was possible. This may account for the few isolations that yielded bacteria from non-discolored tissues contiguous to discolored tissues. B u t this does not explain the presence of bacteria i n nondiscolored tissues i n trees w i t h o u t discolorations. The bacteria may have entered through minute wounds that healed rapidly and were not detectable when the isolations were made. The wounds made by scale insects on beech may have accounted for some of these. Regardless of how they got there, some bacteria were present i n non-discolored tissues. Therefore i t is possible that inoculations into supposedly organism-free wood m i g h t actually place the inoculum i n the presence of bacteria. Also, the w o u n d made for the inoculation may stimulate the activity of the bacteria. T h e d i s c o l o r a t i o n s i n n o r t h e r n h a r d w o o d s are caused b y processes t h a t are i n i t i a t e d b y w o u n d s (A. L . SHIGO, 1965). O r g a n i s m s caused d i s c o l o r a t i o n i n u n a u t o c l a v e d stem sections i n t h e l a b o r a t o r y . I n l i v i n g trees o r g a n i s m s are associated f r e q u e n t l y w i t h discolorations, a n d t h e circular central discolorations found c o m m o n l y i n n o r t h e r n hardwoods are n o t considered t r u e h e a r t w o o d (A. L . SHIGO, 1965). Because organ i s m s are associated c o m m o n l y w i t h these tissues, i t is i n c o r r e c t to assume t h a t o r g a n i s m s i n o c u l a t e d i n t o such tissues are b e i n g p l a c e d i n t o o r g a n i s m - f r e e tissues or i n t o t r u e h e a r t w o o d . R. W.

(unpublished) conducted experiments similar to those of and R . R . H I R T ( 1 9 4 9 ) . But, although R . W . B R A N D T put but one fungus into supposedly organism-free tissues, at the time of harvest he cultured bacteria and non-hymenomycetes consistently from the discolored tissues surrounding the decay tissues. BRANDT1

S . B . SILVERBORG ( 1 9 5 9 )

Most non-hymenomycetes and bacteria grew w e l l together i n culture, b u t o f t e n these o r g a n i s m s i n h i b i t e d g r o w t h of h y m e n o m y c e t e s . A s i m i l a r association i n l i v i n g trees m a y be o p e r a t i n g , w h i c h w o u l d e x p l a i n w h y decay is l i m i t e d b y d i s c o l o r a t i o n . I n d e e d , t h e e x c e p t i o n t o this, P. obliqua , i n f e c t e d n e w l y f o r m e d tissues, a n d g r e w w e l l w i t h bacteria i n culture. I n culture, bacteria stimulated pigmentation b y F. igniarius. T h e d a r k l i n e s associated w i t h F. igniarius i n the l i v i n g t r e e m a y r e s u l t f r o m a s i m i l a r association. Trees g r o w i n g o n d i f f e r e n t p a r e n t soils c o u l d c o n t a i n d i f f e r e n t a m o u n t s of m i c r o e l e m e n t s i n t h e i r w o o d . T h i s w a s p o i n t e d o u t b y E. L . ELLIS (1959) f o r g r a n d f i r g r o w i n g o n t h e w e s t a n d east slopes of t h e Cascades i n U . S . A . T h e c o n c e n t r a t i o n of m i c r o e l e m e n t s i n t h e m e d i u m affected g r o w t h a n d p i g m e n t a t i o n of P. melinii a n d C. decipiens. Poss i b l y , trees g r o w i n g o n d i f f e r e n t p a r e n t soils c o u l d be affected d i f f e r e n t l y b y these f u n g i . 1 R. W. B R A N D T conducted these studies w h i l e a member of the N o r t h eastern Forest Experiment Station, Forest Service, U.S. Department of A g r i culture. R. W. B R A N D T is now Assistant Director of Forest Disease Research, Forest Service, Washington, D. C.

Organism Interactions i n Decay and Discoloration

321

P. melinii w a s c u l t u r e d f r o m d i s c o l o r e d tissues of a l l n o r t h e r n h a r d woods, w h i l e C. decipiens w a s c u l t u r e d o n l y f r o m d i s c o l o r e d tissues of A. rubrum. T h e s e l e c t i v i t y of C. decipiens m a y be due to i t s e x a c t i n g r e q u i r e m e n t s f o r c e r t a i n n i t r o g e n sources t h a t are a v a i l a b l e o n l y i n A. rubrum, a n d p a r t i c u l a r l y n i t r o g e n sources i n those tissues a r o u n d t h e p i t h . C. decipiens i n h i b i t e d t h e g r o w t h of m a n y o t h e r o r g a n i s m s i n culture. This m a y explain w h y it was cultured most frequently f r o m trees w i t h l i t t l e decay caused b y o t h e r f u n g i . T h e c e n t r a l p i n k disc o l o r a t i o n t h a t y i e l d e d C. decipiens w a s c o m m o n i n trees classed as vigorous. I n o u r studies b a c t e r i a a n d n o n - h y m e n o m y c e t e s i n v a d e d f i r s t . W h e n h y m e n o m y c e t e s i n v a d e d l a t e r t h e y a l w a y s g r e w t h r o u g h t h e discolored tissues. These results i n d i c a t e t h a t bacteria, n o n - h y m e n o m y c e t e s , a n d h y m e n o m y c e t e s m u s t a l l be considered i n t h e processes t h a t l e a d t o c e l l d e s t r u c t i o n i n l i v i n g trees. D i s c o l o r a t i o n can e x i s t w i t h o u t decay, b u t decay is a l w a y s associated w i t h d i s c o l o r a t i o n . Therefore, to u n d e r s t a n d decay w e m u s t also u n d e r s t a n d d i s c o l o r a t i o n .

Summary Physiological and ecological studies were conducted i n New Hampshire, U.S.A., on factors affecting decay and discoloration associated w i t h logging wounds, branch stubs, and other infection courts i n Acer saccharum, A. rubrum, Betula alleghaniensis, B. papyrifera, and Fagus grandifolia. More than 1.000 trees were examined immediately before felling and after longitudinal dissection. The most frequently cultured organisms from more than 70.000 isolations were selected for more intensive study: non-hymenomycetes, Phialophora spp., Hypoxylon sppTrichocladium canadense, and Cytospora decipiens; hymenomycetes, Poria obliqua , Polyporus glomeratus, and Fomes igniarius ; and bacteria, Pseudomonas spp. I n exposed wood tissues a succession of events occurred i n v o l v i n g abiotic and biotic factors. Bacteria and non-hymenomycetes were associated frequently w i t h discolorations, but a l l discolored tissues did not yield organisms. However, some non-discolored tissues yielded organisms. Hymenomycetes i n vaded only discolored tissues. The rate and extent of decay and discoloration depended p r i m a r i l y on types of infection courts, time, and organisms. Decay and discoloration seldom affected wood tissues that formed after an infection court was created. A common exception to this was caused by P. obliqua. Discolorations initiated by wounds were not considered heartwood. Bacteria stimulated pigmentation of some fungi, and inhibited growth of many hymenomycetes. Pigmentation of some fungi was greatly affected by manganese and calcium i n the cultural medium. Results of these studies indicated that bacteria, non-hymenomycetes, and hymenomycetes must a l l be considered i n the processes that lead to discoloration and decay i n l i v i n g trees. 21 Material und Organismen, Beiheft 1

322

A l e x L . Shigo Zusammenfassung Die gegenseitige Beeinflussung von Organismen bei Fäule und Verfärbung an Buche, Birke und Ahorn

Physiologische und ökologische Untersuchungen von Faktoren, die Fäulnisvorgänge und Verfärbungen beeinflussen, welche i n Zusammenhang m i t Rücke-Schäden, Aststümpfen und anderen Infektionsherden an Acer saccharum, A. rubrum, Betula alleghaniensis, B. papyrifera und Fagus grandifolia stehen, w u r d e n i n New Hampshire (USA) durchgeführt. Uber 1000 Bäume wurden unmittelbar vor dem Fällen u n d nach Längs-Aufschneiden überprüft. Die aus über 70 000 Isolierungs-Versuchen am häufigsten gezüchteten Organismen w u r d e n für eingehendere Untersuchungen ausgewählt (NichtHymenomyceten: Phialophora spp., Hypoxylon spp., Trichocladium canadense und Cytospora decipiens; Hymenomyceten: Poria obliqua, Polyporus glomeratus und Fomes igniarius; Bakterien: Pseudomonas spp.). A m freigelegten Holzgewebe setzte eine Folge von Vorgängen ein, an denen abiotische und biotische Faktoren beteiligt waren. Bakterien und Nicht-Hymenomyceten traten häufig zusammen m i t Verfärbungen auf, aber nicht alle verfärbten Gewebe enthielten Organismen. Auch einige nicht verfärbte Gewebe enthielten Organismen. Hymenomyceten befielen n u r verfärbtes Gewebe. Geschwindigkeit und Ausmaß der Zerstörung hingen hauptsächlich von der A r t der Infektionsquelle, der Zeit und den Organismen ab. Gewebe, die sich nach einer Infektion gebildet hatten, waren selten von V e r färbungen betroffen. Eine häufige Ausnahme davon verursachte P. obliqua . Die durch Verletzungen hervorgerufenen verfärbten Bereiche w u r d e n nicht als Kernholz angesehen. Bakterien regten die Pigmentbildung einiger Pilze an und verhinderten das Wachstum vieler Hymenomyceten. Die Pigmentierung einiger Pilze wurde durch Mangan u n d Calcium i n K u l t u r m e d i e n stark beeinflußt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, daß Bakterien, NichtHymenomyceten u n d Hymenomyceten alle bei den Vorgängen beachtet w e r den müssen, die zur Verfärbung und Zerstörung des Holzes lebender Bäume führen. Résumé Interactions des organismes dans la pourriture et la d'écoloration du hetre, du bouleau et de l'érable Des études physiologiques et écologiques ont été entreprises sur les facteurs de la pourriture et de la décoloration à p a r t i r des blessures, des cassures de branches et autres foyers d'infection des espèces suivantes: Acer saccharum , A. rubrum, Betula alleghaniensis, B. papyrifera et Fagus grandifolia. Plus de 1.000 arbres ont été examinés immédiatement avant l'abattage et après coupe longitudinale. Les organismes les plus souvent choisis pour des études plus approfondies à partir de plus de 70.000 isolements furent les suivants: Non hymenomycètes: Phialophora spp, Hypoxylon spp, Trichocladium canadense et Cytospora decipiens. Hymenomycètes: Poria obliqua, Polyporus glomeratus et Fomes igniarius. Bactéries: Pseudomonas spp. Les modifications des tissus ligneux proviennent de l'action d'une succession de facteurs biotiques et abiotiques. Les bactéries et les non-hymeno-

Organism Interactions i n Decay and Discoloration

323

mycètes sont souvent associés aux décolorations mais les tissus décolorés ne contiennent pas tous des organismes. Les hymenomycètes envahissent seulement les tissus décolorés. Le degré d'extension des pourritures et des décolorations dépend de la nature des foyers d'infection, d u temps et des organismes. L a pourriture et l'échauffure affectent rarement les tissus ligneux formés après l'apparition d u foyer d'infection. Une exception à ce fait est provoqué par Poria obliqua. Les décolorations provoquées par des blessures ne se manifestent pas que dans le coeur. Les bactéries accentuent la pigmentation de certains champignons et inhibent la croissance de beaucoup d'hymenomycètes. L a pigmentation de certains champignons est fortement i n fluencée par le manganése et le calcium du m i l i e u de culture. Les résultats de ces recherches montrent que les bactéries, les non-hymenomycètes et les hymenomycètes interviennent tous dans les phénomènes de décoloration et de pourriture des arbres sur pied. Literature The distribution and association of Gonatorrhodiella highlei w i t h Nectrica coccinea in the United States. Mycologia 33 ( 1 9 4 1 ) , 1 7 8 — 1 8 7 . B A R N E T T , H . L . : Plant disease resistance. Ann. Rev. Microbiol. 13 ( 1 9 5 9 ) , AYERS,

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Address of the author: A L E X L . SHIGO

Northeastern Forest Experiment Station, Forest Service, U.S. Dept. Agriculture Durham, New Hampshire, U.S.A.

Studies o n t h e Succession of H i g h e r F u n g i o n F e l l e d Beech Logs (Fagus crenata) By

i n Japan

AKINORI UEYAMA

Laboratory of Phytopathology, Kyoto University, Kyoto (Japan)

Introduction Beech w o o d o r „ B u n a " (Fagus crenata) is J a p a n w h i c h is v e r y l i a b l e t o f u n g a l attack. of t h i s t i m b e r has been s t u d i e d b y t h e a u t h o r p a r t i c u l a r a t t e n t i o n b e i n g g i v e n to changes i n p r o p e r t i e s of w o o d (A. UEYAMA, 1961, 1962).

a t i m b e r w i d e l y used i n T h e m e c h a n i s m of decay d u r i n g t h e last t e n years, the physical and chemical

T h i s w o r k w a s c o n d u c t e d o n a l a b o r a t o r y scale a n d g a v e results w h i c h c o u l d n o t a l w a y s be r e c o n c i l e d w i t h field c o n d i t i o n s . I t w a s f e l t t h a t a s t u d y of t h e m i c r o b i a l - e c o l o g y a n d succession of s t a i n a n d decay f u n g i o n f r e s h l y f e l l e d beech logs, w h i c h h a d n o t been m a d e h i t h e r t o , m i g h t go f a r to e x p l a i n these discrepancies. F u r t h e r m o r e , i n t h e course of studies o n c h e m i c a l c o n t r o l of f u n g a l s t a i n a n d decay of f e l l e d beech logs, t h e a u t h o r has f e l t t h e need of such a n ecological s t u d y , n o t o n l y to p r o v i d e a precise g u i d e to t h e o r g a n i s m s i n v o l v e d b u t also to assist i n d e f i n i n g i n t e r a c t i o n s b e t w e e n f u n g a l species a n d selective effects t h a t m a y f o l l o w t h e a p p l i c a t i o n of fungicides. T h e present w o r k is m a i n l y a n a t t e m p t t o describe t h e succession of f u n g a l colonists of f e l l e d beech logs a n d t o r e l a t e t h i s to t h e c h e m i c a l changes t h a t t a k e place i n t h i s s u b s t r a t e a f t e r f e l l i n g . A l l t h e observ a t i o n s o b t a i n e d h e r e w e r e done at O n z u i N a t i o n a l F o r e s t i n H y o g o P r e f e c t u r e , C e n t r a l J a p a n , d u r i n g t h e past t w o years since 1959.

The histo-chemistry of felled beech logs T h e process of c o n v e r s i o n of beech t i m b e r i n t h e N a t i o n a l Forest of J a p a n m a y be defined as f o l l o w s : 1) Felling by chain saw, 2) Removal of branches and cutting into logs two to four meter long, 3) Transport to the forest yard,

A k i n o r i Ueyama

326

4) Transport to the log depot outside the forest, 5) Sale to industry. I n t h e present s t u d y beech logs w e r e felled, c u t i n t o l e n g t h of 35 c m a n d s a m p l e d at t h e f o l l o w i n g i n t e r v a l s w h i c h covered these stages of conversion. a) Immediately after felling, b) Three months after felling, c) 12 months after felling. Histo-chemical tests were made on the central part of sap wood (pH of cell sap 4.6—4.8) w i t h results given i n Tab. 1. T a b . 1. H i s t o - c h e m i s t r y of sap w o o d of f e l l e d beech logs Results Detectable substances

Reagents

Ma) Direct reducing sugar

„FEHLING"

after 3 months elapsed

immediately after felling

+

Fb)

Ma)

after hydrolysis,

i

+

++

-

+

+ +

-

++

„FEHLING"

Starch

KJ· J2

Succinic dehydrogenase

TTC

+++

+

Fb)

+

+

sometimes

++

Ma)

Fb)

±

Disaccharide

after 12 months elapsed

-

sometimes

±

Tannic substances Protein and amino acids Lignin

FeCl 3

+

?

K2Cr207

?

τ

-

!

?

?

*

i 1

Xanthoprotein

+

+

?

Biuret

+

+

?

• 1

Phloroglucine, HCl +

!

?

?

?

?

?

?

?

?

1 -

+

+

a) Medullary ray tissues. b) Wood fibrous tissues.

I n f r e s h l y f e l l e d beech logs r e d u c i n g sugars, disaccharide, starch, p r o t e i n a n d a m i n o acids w e r e a l l f o u n d i n r e l a t i v e l y h i g h c o n c e n t r a t i o n

Succession of Higher Fungi on Felled Beech Logs

327

i n t h e m e d u l l a r y r a y tissues. W h i l e , i n f i b r o u s tissues disaccharide w a s scanty, starch g r a i n w a s u n d e t e c t a b l e a n d f e w r e d u c i n g sugars w e r e f o u n d . Succinic dehydrogenase w a s detected i n m e d u l l a r y r a y tissues a n d also i n t h e h e a r t w o o d b y T T C reagents; an i m p o r t a n t o b s e r v a t i o n as t h i s e n z y m e is b e l i e v e d to be closely r e l a t e d t o t h e p r o d u c t i o n of m i c r o b i a l s t a i n i n t i m b e r . L i t t l e a t t e n t i o n w a s o b t a i n e d f r o m t h e use of f e r r i c c h l o r i d e or p o t a s s i u m b i c h r o m a t e as test f o r t a n n i c substances. P r o t e i n a n d a m i n o acids w e r e f o u n d i n m e d u l l a r y r a y cells, b u t n o t i n fibrous tissues b y X a n t h o p r o t e i n or B i u r e t reagent. T r i a l s o n logs some t i m e a f t e r t h e y h a d b e e n f e l l e d w e r e less satisf a c t o r y as t h e c o l l o i d a l s t r u c t u r e of t h e cells h a d been destroyed, a u t o l y t i c processes h a d b r o u g h t a b o u t considerable changes a n d s o l u b l e c o m p o n e n t s h a d been e l u t e d b y r a i n . H o w e v e r , t h e results o n t h e w h o l e s h o w a considerable r e d u c t i o n i n a v a i l a b l e n u t r i e n t s i n t h e l o g d u r i n g i t s t i m e i n t h e forest a f t e r f e l l i n g .

Inoculation of freshly felled beech logs T h e a r t i f i c i a l i n o c u l a t i o n of f r e s h l y f e l l e d beech logs w a s m a d e i n t h e f o l l o w i n g w a y , u s i n g c u l t u r e s of Ceratocystis moniliforme, Schizophylliim commune, Trametes sanguinea a n d T. dickinsii. Trees w e r e f e l l e d a n d t h e branches r e m o v e d i n t h e m o r n i n g of J u l y . These w e r e t h e n c u t i n t o logs 30 c m l o n g a n d 8—10 c m d i a m e t e r a n d w e r e i n o c u l a t e d o n t h e c u t ends at t h r e e p o i n t s w i t h c u l t u r e s of t h e test f u n g i . A f t e r i n o c u l a t i o n t h e logs w e r e covered w i t h absorbent c o t t o n s a t u r a t e d i n s t e r i l e w a t e r , enclosed i n a v i n y l b a g a n d p l a c e d i n t h e forest o n t h e a f t e r n o o n of t h e d a y t h a t t h e logs w e r e p r e p a r e d . A f t e r t e n days t h e v i n y l bags w e r e r e m o v e d a n d a m o n t h a f t e r t h e e x p e r i m e n t s t a r t e d t h e i n o c u l a t e d p o i n t s o n t h e logs w e r e sectioned for microscopic e x a m i n a t i o n t o d e t e r m i n e t h e degree of f u n g a l i n v a s i o n . A s u m m a r y of t h e results o b t a i n e d is g i v e n i n T a b . 2, w h e r e i t w i l l be seen t h a t C. moniliforme w a s f a r t h e m o s t successful colonist of t h e substrate. I n d e e d , w i t h i n t e n days t h i s species h a d s t a r t e d to g r o w a n d one m o n t h a f t e r i n o c u l a t i o n i t h a d covered t h e c u t e n d of t h e l o g w i t h a d a r k b r o w n m y c e l i u m . Sections s h o w e d t h a t t h e vessels w e r e first i n v a d e d , f o l l o w e d b y t h e m e d u l l a r y r a y tissues. O n logs w h e r e C. moniliforme s h o w e d profuse g r o w t h , commune o n l y s h o w e d v e r y l i m i t e d m y c e l i a l d e v e l o p m e n t a r o u n d t h e p o i n t of i n o c u l a t i o n , a l t h o u g h c u l t u r e s of t h e t w o f u n g i w e r e o n t h e separate ends of t h e logs. T. dickinsii s h o w e d no s i g n of g r o w t h and, instead, on t h e c u t ends of t h e logs w h e r e these f u n g i w e r e i n o c u l a t e d , C.

A k i n o r i Ueyama

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moniliforme , Aspergillus spp., Penicillium spp., a n d Trichoderma spp. w e r e f r e q u e n t l y f o u n d . W i t h t h e e x c e p t i o n of C. moniliforme the g r o w t h of these f u n g i w a s e n t i r e l y superficial. T a b . 2. D e v e l o p m e n t of t h e m y c e l i u m o n t h e cut ends of f r e s h l y f e l l e d beech logs b y a r t i f i c i a l i n o c u l a t i o n Fungi inoculated

Development of inoculated mycelium on the cut ends

Ceratocystis moniliforme

++

Schizophyllum commune

+

Trametes sanguinea

—

Τ. dickinsii

—

Development of uninoculated fungi on the same cut ends

Other fungi did not develop. C. moniliforme

p a r t i a l l y developed.

C. moniliforme and Trichoderma spp. developed. C. moniliforme, Aspergillus spp., Penicillium spp. and Trichoderma spp. developed.

I t has b e e n suggested b y K . YAZAWA (1960) t h a t n o t o r i o u s r o t f u n g i w i l l n o t i n v a d e f r e s h l y f e l l e d beech logs due t o t h e i r h i g h w a t e r c o n t e n t . T h e m a x i m u m w a t e r c o n t e n t p e r m i t t i n g t h e a c t i v i t y of these species is i n t h e r e g i o n of 65—70 °/o, w h e r e a s t h a t t o l e r a t e d b y s t a i n f u n g i is a b o u t 80 °/o.

T h e succession of fungi on beech logs during 12 months after felling T h e season at w h i c h beech t i m b e r is f e l l e d p l a y s a n i m p o r t a n t p a r t i n d e t e r m i n i n g t h e degree of f u n g a l attack t h a t m a y f o l l o w i n t h e logs. T i m b e r f e l l e d i n t h e a u t u m n or w i n t e r g e n e r a l l y shows l i t t l e s t a i n or r o t , w h i l e t h a t c u t d u r i n g t h e w e t m o n t h s of J u n e a n d J u l y is severely attacked. F o r t h e present s t u d y trees, 30—40 c m d i a m e t e r at breast h e i g h t , w e r e f e l l e d i n J u l y a n d c u t i n t o 250 logs each 210 c m l o n g . A p o r t i o n of these logs w e r e t r e a t e d w i t h f u n g i c i d e s f o r e x p e r i m e n t a l w o r k a l r e a d y r e p o r t e d (S. AKAI a. A . UEYAMA, 1960, 1961), w h i l e t h e rest w e r e used to s t u d y t h e succession of f u n g i i n u n t r e a t e d logs. A s i t is d i f f i c u l t to i d e n t i f y m o s t w o o d r o t t i n g f u n g i f r o m t h e i r m y c e l i a l characters, t h e f r u i t i n g s t r u c t u r e s t h a t appeared o n t h e c u t ends of logs i n t h e course of t i m e w e r e used to i d e n t i f y t h e succession of f u n g a l species o n t h e substrate.

Succession of Higher F u n g i on Felled Beech Logs

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A l t h o u g h a n u m b e r of species of f u n g i are k n o w n to cause s t a i n i n was observed i n this beech w o o d (Anon., 1960), o n l y C. moniliforme c a p a c i t y o n t h e logs exposed i n O n z u i N a t i o n a l Forest. T h i s w a s t h e first colonist of u n t r e a t e d logs. I n d e e d , i t w a s f o u n d necessary to s p r a y logs w i t h i n t e n days of f e l l i n g w i t h a f u n g i c i d e of good p e n e t r a b i l i t y i n o r d e r to c o n t r o l t h i s species (S. AKAI a. A . UEYAMA, 1960, 1961).

F u n g i observed

Ceratocystis

—

commune

Stereum

purpureum

Trametes

sanguinea

l