Die Entdeckung könnte zu neuen Fungiziden zum Schutz von Reispflanzen führen

Ein Pilz, der Reiskulturen weltweit plagt, dringt auf eine Weise in Pflanzenzellen ein, die ihn anfällig für einfache chemische Blocker macht, eine Entdeckung, die zu neuen Fungiziden führen könnte, um die erheblichen jährlichen Verluste von Reis und anderen wertvollen Getreidesorten zu reduzieren.

Jedes Jahr befällt und tötet die durch den Pilzpathogen Magnaporthe oryzae verursachte Explosionskrankheit Pflanzen, die je nach Wetterbedingungen zwischen 10 % und 35 % der weltweiten Reisernte ausmachen.

Biochemiker der University of California, Berkeley, unter der Leitung von Michael Marletta, Professor für Chemie und Molekular- und Zellbiologie, haben entdeckt, dass der Pilz ein Enzym absondert, das Löcher in die zähe äußere Schicht von Reisblättern stanzt. Einmal drinnen wächst der Pilz schnell und tötet unweigerlich die Pflanze.

In einem Artikel, der diese Woche in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciencesbeschreiben Marletta und seine Kollegen die Struktur des Enzyms und wie es dem Pilz hilft, in Pflanzen einzudringen. Da das Enzym auf die Oberfläche des Reisblattes abgesondert wird, könnte ein einfaches Spray die Fähigkeit des Enzyms, die Pflanzenwand zu verdauen, wirksam zerstören. Die Wissenschaftler suchen nun nach Chemikalien, die das Enzym blockieren.

„Schätzungen zufolge könnten Sie 60 Millionen Menschen mehr auf der Welt ernähren, wenn Sie diesen Pilz ausschalten könnten“, sagte Marletta, Choh Hao- und Annie Li-Lehrstuhlinhaberin für Molekularbiologie von Krankheiten an der UC Berkeley. „Dieses Enzym ist ein einzigartiges Ziel. Wir hoffen hier, dass wir nach einigen einzigartigen Chemikalien suchen und ein Unternehmen ausgründen, um Inhibitoren für dieses Enzym zu entwickeln.“

Dieses Ziel gehört zu einer Familie von Enzymen namens Polysaccharid-Monooxygenasen (PMO), die Marletta und seine Kollegen von der UC Berkeley vor etwas mehr als 10 Jahren in einem anderen, weiter verbreiteten Pilz, Neurospora, entdeckten. Polysaccharide sind Zuckerpolymere, zu denen Stärke sowie die zähen Fasern gehören, die Pflanzen robust machen, einschließlich Zellulose und Lignin. Das PMO-Enzym zerlegt Cellulose in kleinere Stücke, wodurch das Polysaccharid für andere Enzyme wie Cellulasen anfällig wird und den Abbau von Pflanzenfasern beschleunigt.

„Es besteht ein dringender Bedarf an nachhaltigeren Kontrollstrategien für die Reisbrandkrankheit, insbesondere in Südasien und Subsahara-Afrika“, sagte Nicholas Talbot, Marlettas Kollege und Co-Autor, Experte für Pflanzenkrankheiten und Geschäftsführer von The Sainsbury Labor in Norwich im Vereinigten Königreich. „Angesichts der Bedeutung der Polysaccharid-Monooxygenase für Pflanzeninfektionen könnte sie ein wertvolles Ziel für die Entwicklung neuer Chemikalien sein, die in viel geringeren Dosen als bestehende Fungizide und mit geringeren potenziellen Auswirkungen auf die Umwelt angewendet werden könnten. Sie könnte auch ein Ziel für vollständig chemische auch freie Ansätze wie Gene Silencing.“

Die Doktoranden Will Beeson und Chris Phillips von Marletta und UC Berkeley interessierten sich ursprünglich für diese Enzyme, weil sie Pflanzenzellulose viel schneller abbauen als andere zuvor beschriebene Enzyme und daher das Potenzial hatten, Biomasse in Zuckerpolymere umzuwandeln, die leichter zu Biokraftstoffen fermentiert werden können . Pilze verwenden PMOs, um eine Nahrungsquelle bereitzustellen.

Anschließend fanden er und seine Kollegen von der UC Berkeley Hinweise darauf, dass einige Pilz-PMOs mehr können, als nur Zellulose in Lebensmittel umzuwandeln. Diese PMOs wurden in den frühen Stadien der Infektion aktiviert, was bedeutet, dass sie eher für den Infektionsprozess als für die Bereitstellung von Nahrung wichtig sind.

Das fanden Marletta, Talbot und ihre Kollegen heraus. Unter der Leitung von Postdoktorandin Alejandra Martinez-D’Alto charakterisierten die Wissenschaftler der UC Berkeley dieses einzigartige PMO namens MoPMO9A biochemisch, während Talbot und die Postdoktorandin Xia Yan von der UC Berkeley zeigten, dass das Ausschalten des Enzyms die Infektion in Reispflanzen reduzierte.

Marletta und seine Kollegen von der UC Berkeley haben ähnliche PMOs in Pilzen gefunden, die Trauben, Tomaten, Salat und andere wichtige Nutzpflanzen befallen, was bedeutet, dass die neuen Erkenntnisse eine breite Anwendung gegen Pflanzenpilzkrankheiten haben könnten.

„Es ist nicht nur Reis, gegen den niedermolekulare Inhibitoren eingesetzt werden könnten. Sie könnten weit verbreitet gegen eine Vielzahl verschiedener Pflanzenpathogene eingesetzt werden“, sagte Marletta. „Ich denke, die Zukunft in Bezug auf die Arzneimittelentwicklung für Pflanzenpathogene ist ziemlich aufregend, weshalb wir sowohl die grundlegende Wissenschaft davon verfolgen werden, wie wir es immer tun, als auch versuchen, Teile zusammenzusetzen, um sie zu spinnen als Unternehmen heraus.“

Biokraftstoffe führen zum Angriff auf Pilzpathogene

Marletta ist auf die Identifizierung und Untersuchung neuer und ungewöhnlicher Enzyme in menschlichen Zellen spezialisiert. Aber vor 10 Jahren, als sich die Menschen für Biokraftstoffe als Mittel zur Bekämpfung des Klimawandels begeisterten, erhielt er ein Stipendium des Energy Biosciences Institute der UC Berkeley, um nach Enzymen in anderen Lebensformen zu suchen, die Pflanzenzellulose schneller verdauen als die damals bekannten Enzyme . Das Ziel bestand darin, zähe Zellulosefasern in kurzkettige Polysaccharide umzuwandeln, die Hefe zu Kraftstoff fermentieren konnte.

„Ich sagte zu zwei meiner Doktoranden im ersten Jahr, Chris Phillips und Will Beeson: ‚Weißt du, es muss da draußen Organismen geben, die Zellulose schnell fressen‘“, sagte Marletta. „Das sind die, die wir finden wollen. weil wir die Enzyme kennen, die es langsam fressen, und sie sind im biotechnologischen Sinne nicht besonders nützlich, weil sie langsam sind.“

Phillips und Beeson gelang es, schnell wirkende Enzyme in einem gewöhnlichen Pilz, Neurospora, zu finden, der zu den ersten Pilzen gehört, die tote Bäume nach einem Brand angreifen und Holz schnell nach Nährstoffen verdauen. Sie isolierten das verantwortliche Enzym, das erste bekannte PMO, und beschrieben, wie es funktionierte. Seitdem haben die Studenten von Marletta 16.000 Arten von PMO identifiziert, die meisten in Pilzen, aber einige in holzfressenden Bakterien. Bis heute haben diese einige Erfolge bei der Beschleunigung der Produktion von Biokraftstoffen als Teil eines Cocktails aus anderen Enzymen erzielt, obwohl sie Biokraftstoffe nicht mit anderen Kraftstoffen konkurrenzfähig gemacht haben.

Aber Marletta war fasziniert von einer kleinen Untergruppe dieser 16.000 Sorten, die mehr zu tun schienen, als nur Pilze zu ernähren. Insbesondere MoPMO9A hatte ein Aminosäuresegment, das an Chitin bindet, ein Polysaccharid, das die äußere Hülle von Pilzen bildet, aber nicht in Reis vorkommt. Und obwohl alle PMOs sezerniert werden, wurde MoPMO9A während des Infektionszyklus des Pilzes sezerniert.

Spätere Studien zeigten, dass Magnaporthe MoPMO9A in einer unter Druck stehenden Infektionszelle, dem so genannten Appressorium, konzentriert, aus der es auf die Pflanze ausgeschieden wird, wobei ein Teil des Enzyms an die Außenseite des Pilzes bindet. Das andere Ende des Enzyms hat in seinem Zentrum ein Kupferatom eingebettet. Wenn der Pilz das lose Ende des Enzyms auf das Reisblatt schlägt, katalysiert das Kupferatom eine Reaktion mit Sauerstoff, um Zellulosefasern aufzubrechen, was dem Pilz hilft, die Blattoberfläche zu durchbrechen und in das gesamte Blatt einzudringen.

„Wir waren neugierig: ‚Hey, warum hat dieses Enzym eine Chitin-bindende Domäne, wenn es angeblich an Zellulose arbeitet?'“, sagte Marletta. „Und da dachten wir: „Nun, vielleicht ist es abgesondert, aber es haftet am Pilz. Auf diese Weise kann der Pilz, wenn er auf der Pflanze sitzt, zwischen sich und dem Blatt die katalytische Domäne haben, um das Loch in das Blatt zu schlagen.'“

Das hat sich bewahrheitet. Marletta und Talbot testen jetzt andere Krankheitserreger, die PMOs produzieren, um zu sehen, ob sie denselben Trick anwenden, um in Blätter einzudringen und sie zu infizieren. Wenn dies der Fall ist – Marletta ist sich sicher, dass dies der Fall ist – eröffnet dies Möglichkeiten, sie auch mit einem Fungizid zum Aufsprühen anzugreifen.

„Der einzige Ort, an dem man solche PMOs findet, sind Pflanzenpathogene, die sich Zugang zu ihrem Wirt verschaffen müssen. Sie werden also mit ziemlicher Sicherheit auf die gleiche Weise arbeiten“, sagte Marletta. „Ich denke, der Umfang der Arbeit zur Entwicklung von Inhibitoren für dieses spezielle PMO wird weit über Reis hinausgehen, obwohl das selbst ziemlich wichtig ist. Wir werden in der Lage sein, sie in anderen wichtigen Nutzpflanzen einzusetzen.“