Der Maisbeulenbrand-Erreger Ustilago maydis: ein Schlüssel zu Verständnis und Kontrolle pilzlicher Pflanzenparasiten
Forschungsbericht (importiert) 2021 - Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie
Einleitung
Wenn der pilzliche Parasit Ustilago maydis eine Maispflanze befallen hat, bilden die Kolben anstelle goldener Körner monströse beulenartige Tumore – daher heißt die Erkrankung Maisbeulenbrand (Abb. 1). Für den Maisanbau in unseren Breiten spielt die Erkrankung keine gravierende Rolle, jedoch gibt es in der Verwandtschaft des Brandpilzes, zum Beispiel unter den Rostpilzen, gefürchtete Erreger von Pflanzenkrankheiten. Sie vernichten jährlich große Mengen an Getreide, das Millionen von Menschen ernähren könnte.
Während der Infektion setzt der Pilz einen ganzen Cocktail sogenannter Effektoren frei, die entweder in der Interaktionszone zwischen Pilz und Wirt wirken oder in die Pflanzenzelle gelangen. Die Effektorproteine unterdrücken die pflanzliche Immunität, verändern Biosynthesewege der Pflanze und leiten die Zellteilung im Blattgewebe neu ein, was zu den auffälligen tumorartigen Strukturen führt, von denen aus der Pilz seine Sporen verbreitet.
Ustilago maydis hat sich in den letzten Jahren zu einem Modell der Grundlagenforschung zu solchen pilzlichen Pflanzenparasiten entwickelt. Mittlerweile liegen eine Vielzahl detaillierter Daten auf funktioneller, genbezogener und genomweiter Ebene vor, sowohl zur Interaktion zwischen dem pilzlichen Erreger als auch seiner Wirtspflanze. Und tatsächlich zeichnet sich ab, dass sich die Erkenntnisse über Ustilago maydis auf andere Pilz-Gruppen übertragen lassen.
Doch wie gelangen die pilzlichen Effektoren in die Pflanzenzellen? Das war jahrelang ein großes Rätsel. Unser Forschungsteam hat über viele Jahre daran gearbeitet, die Bedeutung und molekulare Funktion von Effektoren aufzuklären.
Der zentrale Proteinkomplex - eine „Achillesferse“ pilzlicher Krankheitserreger?
In einer kürzlich erschienenen Studie haben wir fünf Pilzeffektoren sowie zwei pilzliche Transmembranproteine identifiziert, die einen stabilen Proteinkomplex bilden. Wir unternahmen sogenannte Knock-Out-Experimente, in denen wir einzelne Gene ausschalteten. Das Ergebnis war überwältigend: fehlt nur ein einziges dieser sieben Proteine, kommt der Infektionsprozess vollständig zum Erliegen. Die pilzlichen Zellfäden dringen zwar noch in die Pflanze ein, stoppen aber ihre Wachstum bereits in der äußersten Zellschicht der Pflanze. Dieser Wachstumsstopp führte zur Namensgebung der beteiligten Gene und des Komplexes: stp-Gene und Stp-Komplex.
Ein solch starker Beitrag zur Virulenz ist sehr ungewöhnlich für Effektoren, die einzeln in der Regel nur einen jeweils kleinen Beitrag zur Virulenz leisten. Mutanten, denen Proteine des Komplexes fehlten, konnten die Wirtsimmunität nicht herunterregulieren, was eine Beteiligung des Komplexes an der Effektorabgabe vermuten lässt.
Mit Forscherkolleginnen und -kollegen in den USA und der Marburger Philipps-Universität führten wir Experimente zur Lokalisation des Komplexes durch. Sie ergaben, dass sich die Proteine in pilzlichen Strukturen befinden, die bis in die Wirtszellen hineineichen. Diese und andere Befunde sowie die Beobachtung, dass der Komplex erst während des Infektionsprozesses ausgebildet wird, unterstreichen seine zentrale Rolle während des Infektionsprozesses. Wahrscheinlich ist, dass der in der Membran verankerte Komplex eine Struktur darstellt, die Ustilago maydis hilft, Effektorproteine in Wirtszellen einzuschleusen. Sollte sich dieser Verdacht erhärten, wäre dies eine biologische Sensation, denn solche Apparate sind zwar von Bakterien bekannt, aber bisher nicht von Pilzen.
Allerdings ist ein direkter Beweis schwer zu erbringen – denn dazu müsste man zeigen, dass bestimmte Effektoren nicht in die Pflanzenzelle gelangen, wenn der Komplex fehlt. Dies ist bisher nicht gelungen, da die Komplexmutanten direkt nach Eindringen in die Pflanze gestoppt werden und absterben.
Hilfreich für weitere Arbeiten wird sein, dass es gelungen ist, den Komplex durch eine sogenannte konstitutive Expression, also die fortlaufende Expression aller sieben Gene, im Labor nachzubauen. In der Gruppe des Marburger Max-Planck-Fellows Prof. Dr. Gert Bange hat die Weiterführung unserer Arbeiten bereits begonnen. Die Schwerpunkte sollen die Strukturaufklärung der Einzelkomponenten sein, die Strukturbestimmung des Gesamtkomplexes mittels Kryo-Elektronenmikroskopie sowie der direkte Nachweis, dass dieser Komplex an der Einschleusung der Effektorproteine beteiligt ist.
Vielversprechende Kandidaten im Wirkstoff-Screening
Mit der essenziellen Rolle des Komplexes ist auch ein anwendungsbezogener Aspekt verbunden: Da der Komplex für die Infektion unverzichtbar ist, wäre er ein attraktives Ziel, um die Krankheit durch die Entwicklung neuer Fungizide zu stoppen. Erste Schritte in diese Richtung wurden bereits unternommen, indem ein Hochdurchsatz-Screening in Zusammenarbeit mit dem Compound Management and Screening Center (COMAS) am MPI für molekulare Physiologie in Dortmund aufgebaut wurde. Der Screen ergab mehrere Wirkstoffkandidaten, von denen die vielversprechendsten erfolgreich nicht nur von Ustilago maydis ausgelöste Krankheitssymptome, sondern auch einen Rostpilz hemmen konnten. Mit Unterstützung der Max-Planck-Innovation GmbH wurde kürzlich ein Patent beim Europäischen Patentamt eingereicht: Damit besteht Potenzial für einen erfolgreichen Transfer von der Grundlagenforschung zur Anwendung in der Landwirtschaft.