Zuckersüße Signale zwischen Pflanzen und Pilzen

Pflanzen sind während ihrer gesamten Entwicklung von Pilzen umgeben. Dabei unterscheidet man zwischen pathogenen Pilzen, die Krankheiten auslösen können, und mutualistischen Pilzen, die einen positiven Einfluss auf das Wachstum der Pflanze haben. Damit Pflanzen in der Lage sind angemessen auf diese verschiedenen Pilze zu reagieren, muss deren Gegenwart möglichst frühzeitig festgestellt werden. Dies geschieht durch sogenannte Membranrezeptoren, die Pilz-Signale in der Umgebung der Zelle wahrnehmen können. Bei diesen Signalen handelt es sich um Moleküle, die jeder Pilz notwendigerweise produziert, da sie für dessen Überleben von großer Wichtigkeit sind. Sobald sich also eine Pilzzelle in der Nähe einer Pflanzenzelle befindet, nimmt die Pflanzenzelle mit ihren Rezeptoren dies wahr und sendet diese Information ins Zellinnere zum Zellkern. Im Zellkern findet die Verarbeitung dieser Information statt.

Typische Signalmoleküle die jeder Pilz auf seiner Oberfläche trägt, sind die Polysaccharide Chitin und β-Glucan, welche die Hauptbestandteile der Pilzzellwand sind (Fesel & Zuccaro, 2016). Chitin ist das wohl bekannteste pilzliche Signalmolekül und löst eine starke Abwehrreaktion in Pflanzen aus, wobei die Pilzzellwand nur zu ca. 10% aus Chitin besteht jedoch bis zu 60% aus β-Glucan. β-Glucan-Fasern bestehen aus bis zu 1,000 Glukosemolekülen, die auf unterschiedliche Art und Weise miteinander verknüpft sind.

In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Alga Zuccaro beschäftigen wir uns mit dem wachstumssteigernden Wurzelpilz Serendipita indica (ehemals Piriformospora indica) und erforschen welche Rolle β-Glucan als Signalmolekül in dieser Interaktion spielt. Hauptsächlich beschäftigen wir uns in diesem Zusammenhang mit drei Fragen: I) Welcher Teil der β-Glucan-Faser wird von Pflanzenzellen als Signalmolekül erkannt, II) welcher pflanzliche Membranrezeptor erkennt dieses Signal und III) wie schaffen es symbiotische Pilze diese Erkennung zu vermeiden?

Experimenteller Ansatz

Wir arbeiten mit der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), die schon seit über 70 Jahren in der Genetik und zur Erforschung von molekularbiologischen Prozessen in Pflanzen genutzt wird. Das Ergebnis dieser jahrzehntelangen Forschung ist eine umfangreiche Sammlung von natürlich vorkommenden Varianten („Akzessionen“), die sich hinsichtlich ihres Aussehens und ihres genetischen Materials unterscheiden. Wir untersuchen diese natürlichen Akzessionen bezüglich ihrer Fähigkeit verschiedene β-Glucan-Signalmoleküle zu erkennen und eine Abwehrreaktion zu initiieren. Im nächsten Schritt versuchen wir diese messbaren Unterschiede der Abwehrreaktionen mit Unterschieden in der bekannten genetischen Ausstattung dieser Akzessionen in Verbindung zu bringen, um daraus Rückschlüsse auf die involvierten Membranrezeptoren ziehen zu können. Untersucht werden die genetischen Gemeinsamkeiten der Akzessionen, die besonders stark auf β-Glucan reagieren, im Vergleich zu Akzessionen, die nur sehr schwach oder gar nicht auf β-Glucan reagieren.

In einem weiteren biochemischen Forschungsansatz soll der Membranrezeptor mit Hilfe eines chemisch markierten β-Glucan-Moleküls isoliert werden. Dazu wird ein β-Glucan Molekül, von dem wir wissen, dass es eine Abwehrreaktion auslöst, mit einer Markierung versehen, die sich im späteren Verlauf des Experiments nachverfolgen lässt. Danach wird das markierte β-Glucan zu einem Extrakt aus Pflanzenproteinen gegeben, der neben dem gesuchten β-Glucan-Membranrezeptor noch viele tausend weitere Pflanzenproteine enthält. In diesem Extrakt bindet unser markiertes β-Glucan spezifisch an den pflanzlichen β-Glucan-Membranrezeptor. Durch die verwendete Markierung des β-Glucan-Moleküles lässt sich dieser Komplex nun von allen anderen Proteinen trennen. Der so isolierte pflanzliche Membranrezeptor zur β-Glucan Erkennung kann dann identifiziert werden.

Wie erwähnt enthalten alle Pilzzellwände β-Glucan, auch die des wachstumssteigernden Wurzelendophyts Serendipita indica. Deshalb wollen wir verstehen, wie es S. indica trotz des Abwehrsystems der Pflanze schafft, mit dieser eine Symbiose einzugehen. Eine Möglichkeit ist die Verhinderung der Erkennung, also das Verstecken der eigenen Signalmoleküle. Dies könnte, unter anderem, durch die Funktion des kürzlich entdeckten Pilzproteins FGB1 geschehen (Wawra et al., in Begutachtung). FGB1 bindet spezifische Bereiche der β-Glucan-Faser, ist auf der Zelloberfläche von pilzlichen Hyphen zu finden und kann zusätzlich noch die Erkennung von β-Glucan in Pflanzen verhindern. Dadurch verhindert es aktiv die Aktivierung der Abwehrreaktion durch β-Glucan.
Ein genaues Verständnis der Vorgänge auf Molekülebene während der Interaktion von Pilzen und Pflanzen ist notwendig, um die landwirtschaftliche Nutzung von wachstumssteigernden Pilzen voranzutreiben.

Gerade für die Erforschung des Potentials von Wurzelpilzen für die landwirtschaftliche Nutzung eignet sich S. indica hervorragend, weil er neben Arabidopsis thaliana auch die Wurzeln von vielen weiteren Pflanzen, darunter wichtige Nutzpflanzen wie z. B. Gerste, besiedeln kann und sich positiv auf deren Wachstum auswirkt. S. indica ist in der Lage mit verschiedensten Pflanzen zu interagieren und dementsprechend auf Molekülebene mit diesen zu kommunizieren, entweder weil er verschiedenste „Sprachen“ beherrscht, eine für jede Pflanze(ngruppe), oder weil er eine universelle „Sprache“ verwendet, eine die alle Pflanzen verstehen.

Beitrag von Philipp Fesel, Biozentrum Köln.

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Planter’s Punch

Unter der Rubrik Planter’s Punch wird jeden Monat ein bestimmter Aspekt des CEPLAS Forschungsprogramms vorgestellt. Alle Beiträge werden von Mitgliedern der Graduiertenschule und des Postdoc Programms erstellt.

Ausgewählte Publikationen

Fesel, P. H., & Zuccaro, A. (2016). β-glucan: Crucial component of the fungal cell wall and elusive MAMP in plants. Fungal Genetics and Biology. 90: 53-60 doi:10.1016/j.fgb.2015.12.004 [Abstract]

Wawra, S., Fesel, P., Widmer, H., Leson, L., Kesseler, L., Nostadt, R., Hilbert, M., Langen, G. & Zuccaro, A. (in Begutachtung). The novel fungal specific β-glucan binding lectin FGB1 alters susceptibility to cell wall stress and prevents glucan-triggered immunity in plants.

Heinrich Heine University
University of Cologne
Max Planck Institute for Plant Breeding Research
Forschungszentrum Jülich