Wielding the subtle weapons of a fungus

An international group of researchers has identified genes which enable the maize smut pathogen to live as a parasite

It doesn’t look appetizing: when Ustilago maydis attacks a maize plant, its cobs bear hideous tumours rather than crunchy niblets. So far, no effective means of combating the maize smut pathogen has been found. However, an international team has now made significant progress in the search for a solution. Led by researchers from the Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology in Marburg, the scientists have analysed the U. maydis genome. Among the 7,000 genes of the fungus, they have found some with which the fungus lives at the expense of its host plant - without killing it. These genes probably also help the fungus to circumvent the plant’s defences. Researchers are now hoping to apply these findings to other fungi, which like Ustilago maydis depend on living plants (Nature, November 2, 2006).

Maize as a fungal host: Ustilago maydis causes maize smut. An international research team working with biologists at the Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology has now identified genes of the fungus implicated in the infection of the plant. Image: Christoph Basse

In Mexico the galls of Ustilago maydis are considered to be a delicacy. To farmers in most other countries however, the tumours that develop on the maize cob are regarded as a nuisance. The fungus is certainly not poisonous, which means that infected maize plants can easily be used as cattle fodder, but are not suitable for maize meal or popcorn. The US agricultural authorities in particular have been trying to combat the fungus for a long time, so far to no avail.

A team of almost 80 scientists from all over the world has now made significant headway. The researchers investigated the genome of the fungus to discover how it damages the plant. In the process they identified many genes which contain blueprints for secreted proteins. The fungus expels these proteins. Some of these genes are located adjacent to each other in the genome, forming clusters. This indicates that they might be involved in one and the same process. "If they hadn’t been present in clusters, we would probably not have discovered them," says Jörg Kämper, the scientific officer at the Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology responsible for coordinating the researchers’ work. "It’s like a cornfield in which 200 cornflowers are growing. If they are scattered over the field, you don’t notice them. But if they’re close together, they are easy to spot."

"Our work was made possible by three very good sequencings," says Jörg Kämper. Both Bayer CropScience and Exelixis (USA) had ascertained how the DNA components in the Ustilago genotype are arranged. The Broad Institute (USA) has also sequenced Ustilago as part of the Fungal Genome Initiative. "In order to analyse the genome sequence, we brought together the whole Ustilago community," explains Kämper. "Each of us concentrated on genes for specific cellular processes."


The Marburg scientists focused on genes which might play a part in infecting the plant and found them in the clusters of secreted proteins. The activity of the genes increases as soon as the fungus infects a plant. "This indicates that the secreted proteins could be effectors, which control the interaction of the fungus with the plant," says Regine Kahmann, Director at the Max Planck Institute in Marburg. In order to confirm this suspicion, her working group performed various experiments, in each case removing one of these twelve clusters from the genome. This revealed that four of the clusters are essential in order for the fungus to develop its full damaging effect. One of the gene clusters, however, clearly helps Ustilago to curb its own aggressiveness: the fungus caused even greater damage to its host when the scientists switched off this ensemble of genes. Refraining from causing too much damage to its host also makes sense for the fungus, because Ustilago maydis relies on the living plant in order to propagate. The fact that Ustilago maydis spares its host as much as possible is also indicated by the number of fungal enzymes that can destroy the cell wall of the plant: Ustilago has just 33; fungi which simply eat their hosts have well over 100.

Ustilago maydis certainly does not present a serious problem to maize farmers, but in recent years it has become a model for other biotrophic fungi, many of which are related to Ustilago maydis. This group of fungi, which also includes rust fungus, causes a lot of trouble for farmers worldwide. However, biologists cannot specifically alter the genes of most of these fungi in the laboratory. "Hopefully our findings on Ustilago maydis can be transferred to this group of fungi," says Kämper.

The scientists now hope to find out what function the secreted proteins perform. "Surprisingly, hardly any of these proteins resemble a known protein from a different organism," says Kahmann. She and her colleagues suspect that the fungus uses these proteins to outsmart the defence mechanisms of the plant. In so doing, the proteins might form a biochemical cover which serves as camouflage in order to slip by the plant’s defences unnoticed. Alternatively, the secreted proteins might actively suppress the defences. What is certain is that the gene clusters play a crucial role in this and now the researchers hope to discover precisely what that role is.

Mit den subtilen Waffen eines Pilzes


Eine internationale Forschergruppe hat Gene identifiziert, die dem Erreger des Maisbeulenbrandes ein Leben als Parasit ermöglichen

Es sieht schon unappetitlich aus: Wenn Ustilago maydis eine Maispflanze befällt, tragen deren Kolben keine knackigen Körner, sondern monströse Beulen. Ein wirksames Mittel gegen den Erreger des Maisbeulenbrandes gibt es bislang nicht. Bei der Suche danach ist ein internationales Team von Biologen nun jedoch einen großen Schritt weitergekommen. Angeführt von Forschern des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Marburg haben die Wissenschaftler das Genom von U. maydis analysiert. Dabei haben sie unter den 7000 Genen des Pilzes einige gefunden, mit denen dieser auf Kosten seiner Wirtspflanze lebt - ohne sie zu töten. Möglicherweise helfen diese Gene dem Pilz auch, die Abwehr der Pflanzen zu umgehen. Forscher hoffen nun, diese Erkenntnisse auf andere Pilze zu übertragen, die wie Ustilago maydis auf lebende Pflanzen angewiesen sind. (Nature, 2. November 2006).

In Mexiko gelten die Gallen von Ustilago maydis als Delikatesse. Den Landwirten in den meisten anderen Ländern sind die Geschwülste, die sich an Maiskolben entwickeln, jedoch ein Ärgernis. Der Pilz ist zwar nicht giftig, weshalb infizierte Maispflanzen problemlos als Viehfutter verwendet werden können, für Maismehl oder als Popcorn taugen die Beulen aber nicht. Vor allem die US-amerikanische Landwirtschaftsbehörde bemüht sich seit langem, gegen den Pilz vorzugehen - bislang vergebens.

Ein Team von knapp 80 Wissenschaftlern aus der ganzen Welt ist dabei jetzt ein gutes Stück vorangekommen. Die Forscher untersuchten das Genom des Pilzes, um herauszufinden, wie dieser die Pflanze schädigt. Dabei haben sie eine Vielzahl von Genen identifiziert, die Baupläne für sekretierte Proteine enthalten. Solche Proteine scheidet der Pilz aus. Einige dieser Gene liegen im Genom an benachbarten Orten - sie bilden Cluster. Das ist ein Hinweis darauf, dass sie an ein und demselben Prozess mitwirken könnten.
"Wenn sie nicht in Clustern vorliegen würden, hätten wir sie vermutlich auch nicht gefunden", sagt Jörg Kämper, der die Arbeit der Forscher als wissenschaftlicher Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie koordinierte: "Das ist wie bei einem Getreidefeld auf dem 200 Kornblumen wachsen: Sind sie über das Feld verstreut, fallen sie nicht auf. Stehen sie aber dicht beisammen, sind sie leicht zu identifizieren."

"Ermöglicht haben unsere Arbeit drei sehr gute Sequenzierungen", sagt Jörg Kämper. Wie sich die Bausteine der DNA im Ustilago-Erbgut aneinander reihen, hatten nämlich sowohl die Unternehmen Bayer CropScience als auch Exelixis (USA) bestimmt. Zusätzlich hat das Broad Institute (USA) Ustilago im Rahmen der Fungal Genome Initiative seqenziert. "Um die Sequenz des Genoms auszuwerten, haben wir die gesamte Ustilago-Community zusammengebracht", sagt Kämper: "Jeder hat sich um Gene für bestimmte zelluläre Prozesse gekümmert."

Die Marburger Wissenschaftler konzentrierten sich auf Gene, die eine Rolle bei der Infektion der Pflanze spielen könnten. Und sie sind bei den Clustern der sekretierten Proteine fündig geworden. Denn die Aktivität der Gene nimmt zu, sobald der Pilz eine Pflanze infiziert. "Das deutet darauf hin, dass es sich bei den sekretierten Proteinen um Effektoren handeln könnte, die die Interaktion des Pilzes mit der Pflanze steuern", sagt Regine Kahmann, Direktorin am Marburger Max-Planck-Institut. Um diesen Verdacht zu erhärten, hat ihre Arbeitsgruppe in verschiedenen Experimenten jeweils einen dieser zwölf Cluster aus dem Genom entfernt. Dabei zeigte sich, dass vier der Cluster unerlässlich dafür sind, dass der Pilz seine volle schädliche Wirkung entfalten kann. Eines der Gen-Cluster hilft U. maydis aber offenbar, die eigene Aggressivität zu zügeln. Denn der Pilz schädigte seinen Wirt sogar stärker, wenn die Wissenschaftler dieses Gen-Ensemble ausschalteten.
Dem Wirt nicht zu sehr zuzusetzen, macht für den Pilz auch Sinn. Denn Ustilago maydis ist auf die lebende Pflanze angewiesen, um sich fortzupflanzen. Dass der Pilz seinen Wirt möglichst schont, sieht man auch schon an der Zahl der pilzlichen Enzyme, die die Zellwand der Pflanze abbauen können: Ustilago hat davon gerade mal 33; Pilze, die ihre Wirte einfach auffressen, weit mehr als 100.

Ustilago maydis stellt zwar kein gravierendes Problem beim Maisanbau dar, hat sich jedoch in den letzten Jahren zu einem Modell für andere biotrophe Pilze entwickelt, von denen viele mit Ustilago maydis verwandt sind. Und diese Gruppe von Pilzen, zu denen auch die Rostpilze gehören, macht Landwirten in der ganzen Welt sehr zu schaffen. Das Erbgut der meisten dieser Pilze können Biologen jedoch nicht gezielt im Labor verändern. "Unsere Erkenntnisse über Ustilago maydis lassen sich hoffentlich auf die Gruppe dieser Pilze übertragen", sagt Kämper.

Nun wollen die Wissenschaftler herausfinden, welche Funktion die sekretierten Proteine haben. "Erstaunlichweise ähnelt kaum eines dieser Proteine einem bekannten Proteinen aus einem anderen Organismus", sagt Kahmann. Sie und ihre Kollegen vermuten, dass es der Pilz über diese Proteine die Abwehrmechanismen der Pflanze austrickst. Dabei könnten die Proteine entweder ein biochemisches Deckmäntelchen bilden, das zur Tarnung dient, um unerkannt an der Abwehr vorbeizuschlüpfen. Alternativ könnten die sekretierten Proteine die Abwehr aktiv unterdrücken. Sicher ist, dass die Gencluster dabei eine ganz entscheidende Rolle spielen - nun wollen die Forscher herausfinden, welche.
[HER]

Originalveröffentlichung:
Insights from the genome of the biotrophic fungal plant pathogen Ustialgo maydis
Jörg Kämper, Regine Kahmann, Michael Bölker, Li-Jun Ma, Thomas Brefort, Barry J. Saville, Flora Banuett, James W. Kronstad, Scott E. Gold, Olaf Müller, Michael H. Perlin, Han A. B. Wösten, Ronald de Vries, José Ruiz-Herrera1, Cristina G. Reynaga-Peña, Karen Snetselaar, Michael McCann, José Pérez-Martín, Michael Feldbrügge, Christoph W. Basse, Gero Steinberg, Jose I. Ibeas,William Holloman, Plinio Guzman, Mark Farman, Jason E. Stajich, Rafael Sentandreu, Juan M. González-Prieto, John C. Kennell, Lazaro Molina, Jan Schirawski, Artemio Mendoza-Mendoza, Doris Greilinger, Karin Münch, Nicole Rössel, Mario Scherer, Miroslav Vraneš,Oliver Ladendorf, Volker Vincon, Uta Fuchs, Björn Sandrock, Shaowu Meng, Eric C. H. Ho, Matt J. Cahill, Kylie J. Boyce, Jana Klose, Steven J. Klosterman, Heine J. Deelstra, Lucila Ortiz-Castellanos, Weixi Li, Patricia Sanchez-Alonso, Peter H. Schreier, Isolde Häuser-Hahn, Martin Vaupel, Edda Koopmann, Gabi Friedrich, Hartmut Voss, Thomas Schlüter, Jonathan Margolis, Darren Platt, Candace Swimmer, Andreas Gnirke, Feng Chen, Valentina Vysotskaia, Gertrud Mannhaupt, Ulrich Güldener, Martin Münsterkötter, Dirk Haase, Matthias Oesterheld, Hans-Werner Mewes, Evan W. Mauceli, David DeCaprio, Claire M.Wade, Jonathan Butler, Sarah Young, David B. Jaffe, Sarah Calvo, Chad Nusbaum, James Galagan & Bruce W. Birren
Nature, 2. November 2006 (doi:10.1038/nature05248)