Phytopathogene Pilze nutzen evolutionär alte antimikrobielle Proteine, um Wirtspflanzen zu manipulieren und deren Mikrobiom während der Infektion zu verändern. Zu diesem Schluss kommt eine Studie unter der Leitung von Professor Bart Thomma vom Institut für Pflanzenwissenschaften der Universität zu Köln in Zusammenarbeit mit dem Sonderforschungsbereich MiBiNet und dem Exzellenzcluster Ceplas.
Das Team entdeckte einen unerwarteten evolutionären Ursprung für Effektorproteine, die von Pilzen ausgeschieden werden. Diese Moleküle tragen zur Infektion bei, indem sie die Abwehrkräfte des Wirts schwächen. Laut der Studie stammen einige von ihnen von uralten antimikrobiellen Proteinen ab, die Pilze einst nutzten, um mit anderen Mikroorganismen zu konkurrieren, bevor pathogene Wechselwirkungen mit Landpflanzen auftraten.
Die Ergebnisse erweitern das Verständnis von Pilzerkrankungen bei Pflanzen. Die Autoren weisen auf eine zweifache Strategie hin: Der Pilz greift das Immunsystem der Pflanze an und beeinträchtigt gleichzeitig die mit dem Wirt assoziierte Mikroflora. Diese Mikroflora umfasst Bakterien, Pilze und andere Mikroorganismen. Ein Teil von ihr trägt zum Schutz vor Krankheiten bei.
Die Studie analysierte den von Verticillium dahliaeDieser Krankheitserreger verursacht Welkekrankheit bei verschiedenen Wirtspflanzen, darunter auch Nutzpflanzen. Forscher haben gezeigt, dass die Mutation Vd424Y die Zusammensetzung der Mikroflora während der Infektion verändert und zur Krankheitsentwicklung beiträgt.
Das Team fand außerdem heraus, dass Mutationen diesem Effektor die Fähigkeit verleihen, in Pflanzenzellen einzudringen, den Zellkern zu erreichen und pflanzliche Immunreaktionen sowie andere zelluläre Prozesse zu beeinflussen. Somit erfüllt Vd424Y zwei Funktionen: Es manipuliert die pflanzliche Immunität und begünstigt den Pilz im Wettbewerb mit anderen Mikroorganismen.
Zur Identifizierung von Proteinen mit antimikrobieller Aktivität entwickelten die Autoren ein maschinelles Lernverfahren namens Amapec. Das System sagt die antimikrobielle Aktivität potenzieller Pilz-Effektoren voraus. Das Tool klassifizierte von Pilzen sezernierte Proteine und wies auf eine breite Präsenz antimikrobieller Kandidaten in den analysierten Sekretomen hin.
Die Analyse umfasste drei Pilze mit unterschiedlichen Lebensweisen: Rhizophagus Irregularis, im Zusammenhang mit arbuskulärer Mykorrhiza; Coprinopsis cinerea, Bodensaprophyt; und Verticillium dahliaePhytopathogen. Die Studie ergab, dass zwischen einem Drittel und der Hälfte der untersuchten Sekretome, nach Ausschluss von CAZymen und Transmembranproteinen, Proteine mit möglicher antimikrobieller Aktivität enthielten.
Die Forscher analysierten zudem 150 Genome von Boden- und Pflanzenpilzen. Die untersuchten Genome umfassten drei Stämme, neun Klassen und 24 Ordnungen. Viele Familien sekretierter Proteine mit höherer evolutionärer Konservierung zeigten eine vorhersagbare antimikrobielle Aktivität. Für die Autoren deutet dieses Muster auf einen uralten Ursprung dieser Proteine hin, der der Aufspaltung der Pilzstämme vorausging.
Die Studie untersuchte auch Effektoren, von denen bereits bekannt ist, dass sie die Pflanzenimmunität modulieren. Fünf Proteine wurden für die experimentelle Validierung ausgewählt: Ecp6, von Cladosporium fulvumAGLIP1, von Rhizoctonia solaniAVR-Pita, von magnaporthe oryzaeund Vd424Y und VdCP1, von Verticillium dahliaeAlle Substanzen zeigten in vitro antimikrobielle Aktivität gegen pflanzenassoziierte Mikroorganismen mit unterschiedlichen Wirkungsspektren.
In Tomatenversuchen wurde der Beitrag von Vd424Y zur Virulenz von Verticillium dahliae Der Effekt hing vom Vorhandensein der Wirtsmikrobiota ab. Die Deletion des Vd424Y-Gens reduzierte die Krankheitsentwicklung in Gegenwart von Mikroorganismen, zeigte aber in deren Abwesenheit keinen vergleichbaren Effekt. Dieses Ergebnis stützt die Annahme, dass der Effektor bei der Manipulation der Mikrobiota während einer Infektion eine Rolle spielt.
Die bakterielle Zusammensetzung von Pflanzen, die von Verticillium dahliae Die Zusammensetzung des Wildtyps unterschied sich von derjenigen in Pflanzen, die mit der Mutante ohne Vd424Y infiziert waren. Die Autoren identifizierten Bakteriengattungen mit reduzierter relativer Häufigkeit in Gegenwart des Gens, darunter... Pseudoxanthomonas, Comamonas, Brachybakterien e Sphingobium.
Die Forschungsergebnisse deuten zudem auf Auswirkungen jenseits der Phytopathologie hin. Laut den Autoren könnten ähnliche Mechanismen auch bei Pilzen auftreten, die Tiere und Menschen infizieren können, da diese Interaktionen ebenfalls die Wirtsmikrobiota und das Immunsystem einbeziehen.
Weitere Informationen finden Sie unter doi.org/10.1126/sciadv.aec1406
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