Symbiotische und pathogene Pilze können ähnliche molekulare Werkzeuge nutzen, um Pflanzen zu manipulieren

Symbiotische und pathogene Pilze, die mit Pflanzen interagieren, sind entfernt verwandt und weisen nicht viele genetische Ähnlichkeiten auf. Beim Vergleich pflanzenpathogener Pilze und pflanzensymbiotischer Pilze haben Wissenschaftler des Sainsbury Laboratory der Universität Cambridge (SLCU) herausgefunden, dass diese entfernten Verwandten eine ähnliche Gruppe von Proteinen verwenden, um Pflanzen zu manipulieren und in ihnen zu leben.

Das Forschungsteam von Sebastian Schornack arbeitet an der Identifizierung und Charakterisierung neuer arbuskulärer Mykorrhiza (AM)-Effektoren – Proteine, die von symbiotischen AM-Pilzen abgesondert werden, um die Besiedlung von Pflanzenwurzeln zu erleichtern. Dabei untersuchen sie auch, ob pathogene und symbiotische Pilze ähnliche oder unterschiedliche Strategien anwenden.

Mithilfe des KI-Computerprogramms AlphaFold2, das Proteinstrukturen vorhersagt, ist das Team das erste, das sekretierte Proteine ​​von symbiotischen und pathogenen Pilzen vergleicht. Sie fanden heraus, dass symbiotische Pilze dieselbe Proteinfamilie kodieren, die pathogene Pilze verwenden, um mit Pflanzen zu interagieren und sie zu besiedeln. Die Ergebnisse wurden heute in veröffentlicht Neuer Phytologe.

„Es gibt eine große Vielfalt im genetischen Code von Effektorproteinen in eng verwandten Mikroben, daher ist es noch schwieriger, Proteinsequenzen zwischen Krankheitserregern und Symbionten zu vergleichen, die weiter entfernt miteinander verwandt sind“, sagte Dr. Albin Teulet, der Erstautor von die Forschung.

„Stattdessen nutzten wir die jüngste Entwicklung von AlphaFold2, um einen Vergleich zwischen den sekretierten Proteinstrukturen eines symbiotischen Pilzes und eines pathogenen Pilzes durchzuführen. Dies führte zu der Entdeckung, dass es eine Gruppe strukturell sehr ähnlicher Proteine ​​gibt, die zuvor von Krankheitserregern bekannt waren.“ kommen auch – oft in größerer Zahl – kodiert im Genom symbiotischer Pilze vor.“

Pflanzen-Pilz-Beziehungen haben dramatische Auswirkungen auf die Pflanzengesundheit in natürlichen Ökosystemen und in der Landwirtschaft – sowohl positive als auch negative. AM-Pilze sind die häufigste symbiotische Verbindung von Pflanzen mit Mikroben. Sie besiedeln Pflanzenwurzeln, um die Nährstoffaufnahme zu fördern, das Pflanzenwachstum zu steigern und sogar zur Abwehr von Krankheitserregern beizutragen.

Krankheitserregende Pilze wie die Stämme von Fusarium oxysporum zählen zu den weltweit verheerendsten Krankheitserregern mit einem breiten Wirtsspektrum und drohen derzeit, Cavendish-Bananen- und Ölpalmenplantagen auszulöschen. Fusarium hat auch der Gruppe von Proteinen, die das Team gefunden hat, seinen Namen gegeben: Fusarium oxysporum lycopersici Dual-Domain Proteins (FOLDs).

Die Forscher klassifizierten alle vom symbiotischen AM-Pilz Rhizophagus unregelmäßigis abgesonderten Proteine ​​und identifizierten eine große Familie von FOLD-ähnlichen Effektoren (MycFOLDs) mit hoher struktureller Ähnlichkeit zu den vom Erreger Fusarium oxysporum produzierten FOLD-Proteinen.

FOLD-Effektoren kommen nur im Genom von Pilzen vor, die Assoziationen mit lebenden Pflanzen eingehen. Dies legt nahe, dass diese Proteine ​​universellen Mechanismen zugrunde liegen, die es sowohl Krankheitserregern als auch symbiotischen Pilzen ermöglichen, in Pflanzen zu leben.

Dr. Schornack sagte, dass die Entdeckung, dass pflanzliche symbiotische und pathogene Pilze teilweise dieselben Werkzeuge nutzen, eine neue Perspektive auf unser Verständnis von Pilzsymbionten eröffnete: „Das scheinbar ausschließliche Vorkommen von FOLD/MycFOLDs bei nicht verwandten pflanzenbesiedelnden Pilzen stützt die Hypothese, dass FOLD-Proteine fungieren als Effektoren bei der Pflanzenbesiedlung sowohl durch symbiotische als auch pathogene Pilze.“

„Wenn symbiotische und pathogene Pilze die gleichen Werkzeuge verwenden, bedeutet dies, dass die Entwicklung von Möglichkeiten zur Verbesserung der AM-Beziehungen in Nutzpflanzen die Nutzpflanzen gleichzeitig anfälliger für Krankheitserreger machen könnte. Allerdings werfen diese Erkenntnisse nun neue Fragen auf, die wir untersuchen müssen, wie z Warum haben symbiotische Pilze diese Proteine, die auch Krankheitserreger haben, und was machen sie eigentlich?“

Die Grundlagen der Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben

Das Verständnis der Ähnlichkeit und Vielfalt der von Symbionten und Krankheitserregern verwendeten Effektoren ist entscheidend für das Verständnis der Grundlagen der Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben.

Die Beziehung zwischen Pflanze und Krankheitserreger ist mit vielen der bereits bekannten Effektorproteine ​​gut untersucht. Über die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Symbionten, beispielsweise zwischen Pflanzen und AM-Pilzen, ist jedoch weniger bekannt.

Pflanzen, die vorteilhafte Beziehungen mit symbiotischen Pilzen eingehen, kontrollieren alle Stadien der Kolonisierung – sie können Kolonisatoren abstoßen oder vertreiben, wenn sie die Pilzbesiedlung für nicht notwendig halten, beispielsweise in Bodenumgebungen mit reichlich Nährstoffen wie Phosphat.

Allerdings sind AM-Pilze auf pflanzliche Nährstoffe angewiesen und haben daher auch eine eigene Überlebensstrategie, insbesondere wenn die Beziehung von der Pflanze unerwünscht ist.

Während des Infektionsprozesses unterdrücken pathogene Pilze die Immunität ihrer Wirtspflanze, indem sie einen Cocktail aus Effektorproteinen absondern. Obwohl symbiotische Pilze für Pflanzen von Vorteil sind, müssen auch sie mit der Pflanze kommunizieren oder Barrieren überwinden, um Pflanzenzellen erfolgreich zu besiedeln.

Es wurde nur eine kleine Anzahl von Effektorproteinen identifiziert, die von symbiotischen AM-Pilzen abgesondert werden. Das Schornack-Team arbeitet daran, weitere Effektoren aufzudecken, die in der Pflanze-Symbionten-Beziehung eine Rolle spielen.