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Unterschiede im Erbgut von Pflanzenschädlingen

13.08.2012
Lebensweise entscheidet auch bei nahe verwandten Arten über Genausstattung und wie sie eingesetzt wird

Vielen Nutzpflanzen macht Pilze der Gattung Colletotrichum zu schaffen. Meistens schonen diese nach dem ersten Befall die Pflanzenzellen. Einige der 680 verschiedenen Arten legen diese Zurückhaltung aber sehr schnell ab: Während manche alle weiteren Pflanzenzellen vernichten, über die sie herfallen, zerstören andere nur einen Teil der Zellen.

Wissenschaftler um Richard O’Connell und Jan Kleemann vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und Lisa Vaillancourt von der Universität Kentucky in Lexington haben die genetischen Grundlagen dieser beiden Strategien untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Lebensweise darüber entscheidet, wie das Erbgut der Pilze zusammengesetzt ist und wann die einzelnen Gene abgelesen werden. Darüber hinaus entdeckten sie eine bisher unbekannte Struktur beim Haftorgan der Pilze.

Der Pilz Colletotrichum löst die Krankheiten Stängelfäule und Blattfleckenkrankheit aus und wird durch Wind, Regen und Spritzwasser übertragen. Der ökonomische Schaden der durch diese Pilze entsteht geht in die Milliarden. Einige Arten machen sich über viele verschiedene Pflanzen her, andere sind sehr wählerisch und befallen nur eine Wirtspflanze. Die von O’Connell und seinen Kollegen untersuchten Arten unterscheiden sich in ihrer Lebensweise und ihrer Wirtspezifität.

Die eine untersuchte Art befällt bevorzugt Kreuzblütler, zu denen auch die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gehört, eine wichtige Modellpflanze. Dieser Arabidopsis-Pilz stellt seinen Stoffwechsel schon nach wenigen Stunden auf die vollständige Vernichtung der Pflanzenzellen um. Bei ihm sind Koexistenz und Zerstörung zeitlich getrennt. Der zweite untersuchte Pilz ist auf Mais spezialisiert. Er produziert in einem Teil der Pflanze Proteine für die symptomfreie Koexistenz, in einem anderen Teil Proteine für die Zersetzung und Ausbeutung der Pflanzenzellen. Bei ihm ist die Trennung nicht zeitlich, sondern räumlich.

Die Forscher haben in ihrer Untersuchung sowohl das Genom als auch das Transkriptom der Pilze analysiert. „Das Transkriptom offenbart, welche Gene zu welchem Zeitpunkt abgelesen werden. Es sind schon einige Pilzgenome entschlüsselt worden, aber nie mit derart detaillierten Informationen darüber, ob und wann diese Gene auch tatsächlich verwendet werden“, sagt O’Connell. Beide Genome haben beispielsweise ähnlich viele Gene für Hemizellulasen, mit denen die pflanzliche Zellwand angriffen wird. Aber der Mais-Pilz benutzt viel mehr davon, weil seine Wirtspflanze mehr Hemizellulose in der Zellwand produziert als die Pflanzen, die der Arabidopsis-Pilz befällt. „Aus der puren Anzahl der im Genom hinterlegten Gene hätte man diesen Unterschied nicht ablesen können. Für diese Information braucht man die Daten zum Transkriptom“, so O‘Connell.

Auch die Menge an Basenpaaren im Genom ist bei beiden Pilzen ähnlich. Allerdings hat der Arabidopsis-Pilz in diesen Basenpaaren mehr Gene untergebracht als der Mais-Pilz, vermutlich wegen des unterschiedlichen Wirtsspektrums. Wer nur eine Pflanze befällt, braucht weniger Gene als jemand, der viele verschiedene Pflanzen als Wirte nutzt. Das gilt auch für die Zahl der sogenannten Effektorgene. Effektoren sind Proteine, mit denen sich der Pilz vor den Verteidigungsangriffen der Pflanze schützt.

Bei beiden fällt zudem die große Zahl an Genen, für die Bildung sekundärer Stoffwechselprodukte auf. Das sind Substanzen, die den Pilzen bei der Infektion dienlich sind. „Wir kennen keinen anderen phytopathogenen Pilz, die so viele sekundäre Stoffwechselprodukte herstellen“, sagt Jochen Kleemann vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, der zusammen mit weiteren Kollegen an der Arbeit beteiligt war. „Die Gene für diese Produkte werden schon sehr früh in der Infektion abgelesen und sind damit möglicherweise auch interessante Angriffspunkte für den Pflanzenschutz. Dazu müssen wir aber noch besser verstehen, was die Pilze damit machen“, so Kleemann weiter.

Darüber hinaus entdeckten die Wissenschaftler eine bisher unbekannte Funktion beim Haftorgan der Pilzsporen, dem Appressorium. Das Appressorium entsteht, nachdem eine Pilzspore auf der Oberfläche eines Blattes gelandet ist und baut einen so hohen Druck auf, dass sich der Pilz ins Innere der Pflanzenzelle hineinpresst wie ein Finger in einen aufgeblasenen Luftballon.

„Das Haftorgan liest auf einer Plastikoberfläche ganz andere Gene ab als auf einem Blatt. Es muss also irgendwie registrieren können, wo es sich befindet“, sagt O’Connell. Das Haftorgan sei damit nicht nur der Türöffner in die Pflanzenzelle, sondern auch der Sensor für den richtigen Standort. „Die Appressorien sind vor fast 130 Jahren entdeckt worden, dass sie auch eine Sensorfunktion haben, ist erst durch unsere Forschungsarbeiten klar geworden“, so Kleemann.

Ansprechpartner

Richard O'Connell
Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung
Telefon: +49 221 5062-311
Email: oconnel@­mpipz.mpg.de
Dr. Jochen Kleemann
Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung
Telefon: +49 221 5062-318
Email: kleemann@­mpipz.mpg.de
Christiane Wojtera
Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung
Telefon: +49 221 5062-101
Fax: +49 221 5062-113
Email: wojtera@­mpipz.mpg.de
Originalveröffentlichung
Richard J O’Connell et al.
Lifestyle transitions in plant pathogenic Colletotrichum fungi deciphered by genome and transcriptome analyses

Nature Genetics, 12. August 2012, DOI: 10.1038/ng.2372

Richard O'Connell | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/5982691/erbgut_pflanzenschaedlinge

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