Einblick in die unterirdische Kommunikation zwischen Pflanze und Pilz

Pflanzen stellen eine der wesentlichen Kohlenstoffquellen für Bodenmikroorganismen dar. Zu diesen gehören unter anderem verschiedene Arten von Pilzen, welche die nährstoffreichen Pflanzenwurzeln direkt nutzen können. Während einige dieser Pilze sich die Nährstoffe aggressiv erschließen und Krankheiten verursachen, die zum Tod der Pflanze führen können, besiedeln andere Pilze die Wurzel ohne Schädigung des Wirts. Letztere Gruppe ist in der Lage mit den Pflanzen eine Symbiose einzugehen: im Austausch für Zucker können einige Pilze die Pflanze zusätzlich vor aggressiven Krankheitserregern schützen. Diese Fähigkeit des symbiontisch agierenden Pilzes betont sein Potential zum biologischen Pflanzenschutz. Die molekularen Mechanismen dieser Kommunikationsformen zwischen Pflanzen und pilzlichen Partnern sind größtenteils unbekannt. Weitere Erkenntnisse über die gleichzeitigen Interaktion von Pflanzen mit Symbionten und Pathogenen sind nötig, um dieses System für die für die Entwicklung einer nachhaltigen Landwirtschaft nutzen zu können.

Kommunikation von Pflanzenwurzeln mit Pilzen: Symbiose versus Pathogenese

Wir beschäftigen uns mit der Interaktion von Gerste mit dem Wurzelsymbionten Sebacina vermifera und dem phytopathogenen Pilz Bipolaris sorokiniana. S. vermifera wurde ursprünglich aus der Wurzel einer terrestrischen, australischen Orchidee isoliert und gehört zur Ordnung der Sebacinales (Basidiomycota). S. vermifera wurde als Orchideen-Mycorrhizapilz (ORM) klassifiziert, da er die Samenkeimung und -entwicklung im natürlichen Wirt stimuliert. In einem großen Spektrum von experimentell getesteten Wirtspflanzen wie Gerste, Rutenhirse (Panicum virgatum) und Tabak wurden positive Effekte auf das Wachstum sowie die Resistenz gegenüber biotischem und abiotischem Stress nachgewiesen. Molekulare Analysen von Umweltproben zeigten eine ubiquitäre Verbreitung von nah verwandten Sebacinales Arten in Pflanzenproben, darunter Arabidopsis, Weizen und Mais. Das Genom von S. vermifera wurde kürzlich in Kooperation mit dem DOE Joint Genome Institute (JGI) in den USA sequenziert.
S. vermifera ist besonders gut ausgerüstet mit Genen für Kohlenhydrat-aktive Enzyme und Peptidasen, die möglicherweise Pflanzenzellwände abbauen oder Pilzzellwände modifizieren können. Das Genom kodiert für mehr hydrolytische Enzyme als der Durchschnitt der ca. 60 Genome, die zum Vergleich analysiert wurden. Jedoch bleibt der molekulare Mechanismus, mit dem der symbiotische Pilz sich in der metabolisch aktiven Pflanzenzelle etabliert, unbekannt.

B. sorokiniana ist ein aggressiver Pilz der Abteilung der Schlauchpilze (Ascomycota) und eine Bedrohung für Getreidepflanzen. Er verursacht jedes Jahr wirtschaftlich relevante Schäden, zum Beispiel durch Wurzelfäule und Blattfleckenkrankheiten in Gerste und Weizen. In Gerstenwurzeln wächst der Pilz mit einer kurzen biotrophen Phase, in der die Pflanzenzellen lebendig bleiben, worauf schnell eine nekrotrophe Phase mit Absterben und Verbräunung des Wurzelgewebes folgt. Genomanalysen identifizierten kleine, sekretierte Proteine, die für die Kolonisierung bedeutsam sein könnten. Der sekundäre Metabolismus der Pilze spielt oft eine wichtige Rolle für die Virulenz. Für die Infektion von Gerste durch B. sorokiniana sind Polyketide-Synthasen und nicht-ribosomale Peptidsynthetasen, die an der Bildung von Melanin und sekundären Metaboliten sowie der Antwort auf oxidativen Stress beteiligt sind, wichtig. Die genauen molekularen Mechanismen der Pathogenese sind bisher jedoch unbekannt.

Strategie zum Verständnis der Kommunikation

Wir untersuchen innerhalb CEPLAS wie die Pflanze mit zwei – anscheinend gegensätzlich wirkenden – Pilzen kommuniziert und wieso der Symbiont in der Lage ist Gerste vor der Aktivität des Pathogens zu schützen. Hierbei sollen integrative Ansätze basierend auf vergleichender Transskriptomik sowie einer Kombination aus reverser Genetik und Zellbiologie helfen, die Pflanzenreaktion auf die Besiedlung mit dem Symbionten und dem Krankheitserreger zu charakterisieren. Die vergleichende Analyse der Mechanismen, die die förderlichen Effekte von S. vermifera und die Schädigungen durch B. sorokiniana bewirken, soll zu einem besseren Verständnis der Vorgänge während der Besiedlung von Pflanzenwurzeln durch unterschiedliche Pilze führen. Einige der Daten weisen auf eine wichtige Bedeutung der direkten Kommunikation zwischen den Pilzen für die biologische Kontrolle des Pathogens durch S. vermifera hin (Abbildung 1). Zusammen mit der detaillierten Transskriptom-Analyse der Pflanzen-Pilz Interaktion untersuchen wir deshalb ebenfalls die direkte Pilz vs. Pilz Interaktion. Die Ergebnisse dieser Studien sollen zu einem besseren Verständnis der biologischen Schädlingsbekämpfung in einer nachhaltigen Landwirtschaft beitragen.

Debika Sarkar, Universität zu Köln, Genetisches Institut

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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.

Zum Nachlesen

A. Zuccaro. Mutualistische Symbiose; Leben im Untergrund: Wurzel-Endophyten als heimliche Helfer. © Springer-Verlag 2013. DOI: 10.1007/s12268-013-0296-y

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