Der Invasionserfolg des Knollenblätterpilzes könnte mit der neu dokumentierten Variabilität der Toxingene zusammenhängen

Es ist ein kalter, nasser Tag im Jahr 2015 und Anne Pringle durchsucht das Unterholz eines Waldes in Nordkalifornien nach dem unscheinbaren Organismus, der sie in den letzten Jahren mit ihrer Forschung beschäftigt hat: dem Knollenblätterpilz oder Amanita phalloides.

Bei diesem Pilz handelt es sich nicht um den skurrilen, gepunkteten Fliegenpilz der Kindheits-Cartoon-Nostalgie, sondern um den tödlich giftigen Pilz, der die Westküste Nordamerikas befallen hat. Pringle und ihr Labor haben Proben gesammelt, um herauszufinden, wie die Knollenblätterpilze in diese Umgebung eindringen konnten.

Sie ahnte noch nicht, dass acht Jahre später sie und ein Forscherteam der University of Wisconsin-Madison und des Agricultural Research Service (USDA-ARS) des US-Landwirtschaftsministeriums die ersten sein würden, die einen Teil der Komplexität dieses Rätsels dokumentieren würden.

In einem Artikel, der diese Woche in veröffentlicht wurde Das ISME JournalDas Team fand heraus, dass einzelne Knollenblätterpilze über eine eigene, einzigartige Reihe von Toxingenen zu verfügen scheinen.

„Mit anderen Worten, nicht alle Pilze sind auf die gleiche Weise giftig“, sagt Pringle, Professor für Botanik an der UW-Madison.

Die Entdeckung könnte Forschern helfen, besser zu verstehen, wie der giftige Pilz erfolgreich in Kalifornien eindringt, und die Tür für neue Wege zur Arzneimittelentwicklung öffnen.

Pringle, ein Evolutionsökologe, stellte als erster fest, dass die in Kalifornien gefundene Population der Knollenblätterpilze nicht einheimisch ist, wie Wissenschaftler zuvor angenommen hatten; Stattdessen handelt es sich bei dem berüchtigten Pilz um eine invasive Art. Pringle fragte sich, ob ein Teil des Invasionserfolgs des Pilzes auf die Giftstoffe zurückzuführen sei, für die er so bekannt ist. Das bedeutete, dass sie die Gene, die diese Toxine erzeugen, besser verstehen musste.

Pringle arbeitete mit der UW-Madison-Professorin für medizinische Mikrobiologie und Immunologie Nancy Keller zusammen; ehemaliger Postdoktorand Milton Drott; und Sung Chul Park, ein aktueller Postdoktorand in Kellers Labor.

Keller und ihr Labor konzentrieren sich darauf, die genetischen Gründe herauszufinden, warum ein Pilz wie der krebserregende Aspergillus flavus ein wirksamer Krankheitserreger sein könnte. Sie untersuchen auch das Potenzial von aus pathogenen Pilzen isolierten Verbindungen, zur Entdeckung neuer Arzneimittel zu führen.

„Wir sind immer auf der Suche nach neuen Verbindungen, die für medizinische Zwecke nützlich sein könnten“, sagt Keller. „Wir können diese neuen gereinigten Metaboliten nehmen und sagen: ‚Oh, beeinflussen sie das Wachstum schädlicher Mikroben?‘ Man weiß es einfach erst, wenn man es testet.

Für die neue Studie stützte sich Drott, der jetzt für das USDA-ARS arbeitet, auf seinen Hintergrund in der Computerbiologie, um genetische Daten aus Proben von Knollenblätterpilzen zu analysieren, die in Kalifornien und Europa gesammelt wurden. Das Team wollte die Gene dokumentieren, die ihrer Toxizität zugrunde liegen.

Was die Forscher entdeckten, war eine unerwartete Vielfalt solcher Gene.

Alle Exemplare haben unabhängig von ihrer Herkunft eine Kerngruppe von Genen gemeinsam. Das Vorhandensein dieser Kerngene wird im Allgemeinen als Voraussetzung dafür angesehen, dass ein Exemplar als Teil der Knollenblätterpilzart klassifiziert werden kann, erklärt Drott.

Die Forscher fanden aber auch eine akzessorische Gruppe von Genen. Von Individuum zu Individuum hatten einige Pilze bestimmte akzessorische Gene, während anderen diese Gene völlig fehlten.

Es ist, als ob jeder bei einem Grillfest am See eine Citronella-Kerze hätte, um lästige Insekten abzuwehren. Die Citronella-Kerze ist wie ein Kerngen, das einen Geruch abgibt, um die Insekten hoffentlich fernzuhalten. Wenn sich das Seeufer nun in ein Sumpfufer verwandeln würde, müssten die Grillbesucher möglicherweise ihre Insektenabwehrstrategie anpassen.

Manche Leute bringen zusätzlich zu ihrer Citronella-Kerze vielleicht Insektenspray mit, andere stellen vielleicht eine Mückenfalle auf, vielleicht probieren einige ein natürliches Insektenschutzöl. Diese zusätzlichen Insektenschutzmethoden sind wie zusätzliche Gene, verschiedene Methoden, die die Grillgäste ausprobieren, um herauszufinden, was am neuen Standort am besten funktioniert.

Pringle glaubt, dass diese akzessorischen Gene in den Pilzen eine Vielzahl von Verbindungen erzeugen, von denen einige es ihnen ermöglichen könnten, in neuen Ökosystemen am besten zu gedeihen und ihre Invasion an der Westküste fortzusetzen.

„Wir dokumentieren die Evolution, daran besteht kein Zweifel“, sagt Pringle.

Für Forscher ist es jedoch eine wirklich schwierige Frage, diese Frage zu testen.

Beim Menschen lässt sich die Vererbung von Genen von den Eltern auf die Nachkommen leicht zurückverfolgen, da Menschen normalerweise zwei Gensätze erhalten, einen von jedem Elternteil. Aber bei Pilzen ist es viel komplexer. Manchmal erhalten einzelne Pilze mehrere Versionen eines Gens. Daher ist es schwierig zu bestimmen, ob bestimmte Toxingene eine Rolle dabei spielen, dass ein Pilz in einer bestimmten Umgebung gedeiht.

„Rechnerisch ist das sehr schwer zu handhaben, weil man unterscheiden muss, welches von welchem ​​Elternteil stammt oder ob es sich insgesamt um eine einzigartige Sequenz handelt“, sagt Drott. „Das auseinander zu nehmen war ein großer Fortschritt für unsere Fähigkeit, diese Toxine in dieser Größenordnung zu identifizieren.“

Knollenblätterpilze sind ebenfalls Mykorrhizapilze, das heißt, sie sind für ihr Wachstum auf Pflanzenwurzeln angewiesen. Dies stellt eine weitere Schwierigkeit bei der Gestaltung von Experimenten dar, da es schwierig oder sogar unmöglich sein kann, diese Bedingungen im Labor wiederherzustellen.

Und die Forscher stellen fest, dass das bloße Vorhandensein von Genen nicht immer bedeutet, dass es sich bei den Verbindungen, die sie produzieren, definitiv ausschließlich um Toxine handelt.

„Wenn man einen Pilz pflückt, ist das ein Moment in der Zeit. Es könnte also sein, dass in diesem Moment das Gen noch nicht einmal exprimiert und die Verbindung noch nicht hergestellt wurde“, sagt Keller. „Wir gehen davon aus, dass einige dieser Gene durch Stress aktiviert werden. Idealerweise würden Sie also die Proben unter verschiedenen Bedingungen nehmen wollen.“

Das Team stellt außerdem fest, dass die Wissenschaftler noch nicht wissen, warum der Knollenblätterpilz überhaupt giftig ist: Dient er der Selbstverteidigung? Sind Pilze territorial? Unterscheiden sich Toxine und andere Pilzverbindungen aus unterschiedlichen Gründen an verschiedenen geografischen Standorten? Antworten auf diese Fragen zu finden ist nicht einfach.

Das Team ist jedoch begeistert von den Ergebnissen und der Möglichkeit, die wenig erforschte Literatur zur Pilzinvasionsbiologie zu ergänzen.

„Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler dokumentiert haben, dass es so viele Unterschiede zwischen den einheimischen und invasiven Populationen der Knollenblätterpilze gibt und wo im Genom diese Unterschiede bestehen“, sagt Drott.

„An der Westküste passiert etwas [the mushroom] breitet sich aus“, sagt er. „Jedes Jahr essen Menschen diese Pilze und sterben.“ Und wir wollen das stoppen, wenn wir können.“