Germany
August 12, 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 Jochen 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.
Differences in the genomes of related plant pathogens
Even in closely-related species, life-style moulds the genetic make-up of pathogens and how their genes are used
Many crop plants worldwide are attacked by a group of fungi that numbers more than 680 different species. After initial invasion, they first grow stealthily inside living plant cells, but then switch to a highly destructive life-style, feeding on dead cells. While some species switch completely to host destruction, others maintain stealthy and destructive modes simultaneously. A team of scientists led by Richard O'Connell from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne and Lisa Vaillancourt from University of Kentucky in Lexington have investigated the genetic basis for these two strategies. The researchers found that pathogen life-style has moulded the composition of these fungal genomes and determines when particular genes are switched on. They also discovered surprising new functions for fungal infection organs.
Colletotrichum fungi cause rots and leaf spot diseases which are spread by wind and rain splash. They cause devastating economic losses on food and biofuel crops running into billions of euros each year. While some species attack many different plants, others are highly selective and attack just one host plant. The two species investigated by O'Connell and his colleagues differ in their life-style and their host specificity. One species preferentially attacks crucifers, including thale cress (Arabidopsis thaliana), a model plant important for biologists. Within just a few hours, this pathogen switches its metabolism towards the complete destruction of the plant cells. For this fungus, benign coexistence and massive destruction are separated in time. The other species studied is specifically adapted to maize. In one part of the plant it produces proteins to promote symptomless coexistence, while elsewhere it produces proteins to break-down and digest plant cells. In this case, the two life-styles are spatially separated.
The strength of this work, published in Nature Genetics, is that the researchers analysed both the genome and transcriptome of these two fungi. "The transcriptome reveals which genes are switched on and when. Several other fungal genomes have already been decoded, but never with such detailed information about if and when each gene is used during plant infection", says O'Connell. For example, both genomes have similar numbers of genes for hemicellulase enzymes, with which the plant cell wall is decomposed. However, the maize fungus switches on many more of these genes because the cell walls of maize contain more hemicellulose than do plants attacked by the Arabidopsis fungus. "This difference could not have been identified simply from cataloguing the numbers of such genes in the genome: transcriptome data are essential to obtain this information", explains O'Connell.
The genomes of the two pathogens are similar in size, but the Arabidopsis fungus accommodates more genes in its genome, probably as a result of its broader host range. A pathogen that attacks a single plant requires fewer genes than one which colonizes many different plants. This is especially true for "effector" genes, which are required by the fungus to protect itself from the plant's defense responses. Both fungi have remarkably large numbers of genes for producing secondary metabolites, which are small molecules with potential roles during infection. "We are not aware of any other phytopathogenic fungi that produce so many secondary metabolites", says Jochen Kleemann who, together with other colleagues from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne, was also involved the study. "The genes for these products are switched on very early on during infection and are therefore potential targets for plant protection. But first we need to understand more about the functions of these molecules", continues Kleemann.
The scientists also discovered previously unknown functions of the fungal adhesion organ, the appressorium. The appressorium is formed after a fungal spore lands on the leaf surface and builds up a high pressure, with which the fungus pushes itself into the interior of the plant cell, like a finger into an inflated balloon. "On a leaf, the adhesion organ switches on completely different genes than when it is located on a plastic surface. It must in some way recognize where it is", says O'Connell. The adhesion organ would thus appear not only to open the door into the plant cell, but also to sense the presence of the plant. "Appressoria were discovered almost 130 years ago, but it is only from our research that it has become clear that they also have a sensing function", says Kleemann.
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