Ein neues Verständnis von pflanzenpathogenen Pilzen
Pilzpathogene stellen eine weit verbreitete und erhebliche Bedrohung für die weltweite Pflanzenerzeugung dar und beeinträchtigen die Erträge vieler wirtschaftlich relevanter Pflanzen. Biotrophe Pilzpathogene besiedeln lebendes Pflanzengewebe und geben Proteine, sogenannte Effektoren, in die Pflanze ab, um zelluläre Prozesse zu manipulieren. Die genauen Prozesse, mit denen diese Pilzerreger Pflanzen infizieren, zu verstehen, ist für die künftige Landwirtschaft und die Ernährungssicherheit enorm wichtig. Die synthetische Rekonstruktion von eukaryotischen Pflanzenpathogenen stellt allerdings eine Herausforderung dar, sowohl aufgrund technologischer Fragen als auch wegen mangelnder Kenntnisse. „Eukaryotische Pathogene haben eine sehr hohe Anzahl von (potenziellen) Virulenzfaktoren, die in ihren Funktionen noch nicht einmal annähernd erforscht sind“, erklärt Gunther Döhlemann, Professor für Pflanzenbiologie an der Universität zu Köln und Projektkoordinator von conVIRgens. In dem vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekt conVIRgens versuchten Döhlemann und sein Team dennoch, die Virulenzstrategien eukaryontischer Pilzpathogene synthetisch zu rekonstruieren, um besser zu verstehen, wie sie Pflanzen befallen.
Genomeditierung zur Entschlüsselung der Virulenzstrategien von Pilzen einsetzen
Bestimmte Biotrophe wie Rost und Mehltau sind schwer zu untersuchen, da sie obligate Pathogene sind (und daher Wirte benötigen, um ihren Lebenszyklus zu vollenden), wodurch erschwert wird, sie anzubauen. Einige Brandpilze, wie Ustilago maydis (Ursache des Maisbeulenbrands), haben jedoch ein Hefestadium, mit dem sie leichter im Labor wissenschaftlich nachgebildet werden können. Die ursprüngliche Strategie bestand darin, U. maydis zu entschärfen, indem die Effektoren des Erregers mithilfe von CRISPR-Cas9-Genomeditierung mutiert wurden. „Wir haben tatsächlich mehrere CRISPR-Cas9-Mutantenstämme von Ustilago erzeugt, die in ihrer Virulenz beeinträchtigt sind und die dazu dienen, die molekularen Funktionen von Effektorproteinen nachzuvollziehen“, sagt Döhlemann. Das Team fand außerdem eine alternative Strategie, indem es erfolgreich einen Hybridstamm von U. maydis konstruierte, den es mit CRISPR-Cas9 nutzen konnte, um das zugrunde liegende Virulenzrepertoire aufzudecken. Einige der überraschenden Ergebnisse dieses neuen Verfahrens werden bei der Veröffentlichung der Forschungsergebnisse im Laufe des Jahres verfügbar sein.
Praktische Anwendungen zur Bekämpfung von Verlusten landwirtschaftlicher Erträge
Das conVIRgens-Team hofft, dass seine Ergebnisse der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft zugute kommen könnten, auch durch praktische Anwendungen der Forschungsergebnisse zur Bekämpfung von Verlusten landwirtschaftlicher Erträge. „Die Entschlüsselung des Effektorrepertories von U. maydis hat tatsächlich eine Reihe von Virulenzfaktoren aufgedeckt, die für die Entstehung von Tumoren in Pflanzen erforderlich sind“, erklärt Döhlemann. „Dies war ein wichtiges Projektziel, und wir glauben, dass hier ein großer Vorteil für die wissenschaftliche Gemeinschaft entsteht.“ Projektintern wurde U. maydis als Instrument zur funktionellen Charakterisierung von Effektoren obligater biotropher Pilze wie Rostpilze und Mehltaupilze eingeführt. „Unser Ansatz hat dazu beigetragen, das Virulenzarsenal dieser Organismen besser zu charakterisieren, was eine direkte Auswirkung auf die Forschung zur Bekämpfung von Verlusten landwirtschaftlicher Erträge hat“, fügt er hinzu.
Zukünftige Forschung zu den molekularen Funktionen von Pathogeneffektoren
Die Forschenden wollen die im Projekt erarbeiteten Erkenntnisse und Methoden nutzen, um weitere funktionelle Einblicke in die molekularen Funktionen von Pathogeneffektoren zu gewinnen. Ein Paradebeispiel sind die Effektoren der Transkriptionsaktivatoren, die das Team im Projektverlauf identifizierte. „Wir werden untersuchen, wie diese Effektoren bei verschiedenen Pflanzenpathogenen funktionieren“, sagt Döhlemann. Das Team entdeckte zudem, dass Pilzeffektoren an der Konkurrenz von Pilzpathogenen mit anderen Mikroben beteiligt sind, was eine neue Forschungsrichtung eröffnet, die das Team weiter verfolgen will.
Schlüsselbegriffe
conVIRgens, Genomeditierung, Pilzvirulenz, Strategien, molekular, Funktionen, Pathogene, Effektoren, CRISPR-Cas9, Ernte, Ertrag
