Eine Fehlfunktion des Pro1-Proteins ermöglicht das Gedeihen des Reisbrandpilzes, wie eine neue Studie zeigt

Das „Paradoxon des Sex“ bezieht sich auf das Rätsel, warum die sexuelle Fortpflanzungsart bei Lebewesen häufiger vorkommt als die asexuelle.

Die sexuelle Fortpflanzung erfordert mindestens zwei Partner, setzt den Einzelnen einem höheren Krankheitsrisiko aus und ist energieintensiver. Im Gegensatz dazu gleicht die asexuelle Fortpflanzung all diese Nachteile aus, indem sie nur einen Elternteil benötigt und gleichzeitig eine schnelle Nachkommenschaft ermöglicht. Dieses „Paradoxon“ wurde nun durch Erkenntnisse aus einer neuen Studie über eine Art pathogener Pilze untermauert, die eine Vielzahl von Kulturgetreidepflanzen wie Reis, Weizen, Gerste und Fingerhirse befällt.

Pyricularia (Magnaporthe) oryzae, eine Art pathogener Fadenpilze, verursacht verheerende Schäden in der weltweiten Reisproduktion, da sie die Reisbrandkrankheit verursacht, die ihr den Beinamen „Reisbrandpilz“ eingebracht hat. Der Infektionszyklus beginnt mit der asexuellen Fortpflanzung, bei der sich asexuelle Sporen, sogenannte „Konidien“, an der Oberfläche der Blätter der Reispflanze festsetzen.

Dadurch entsteht eine infektionsspezifische Struktur namens Appressorium, die beginnt, in die äußerste Zellschicht des Blattes einzudringen, was zu sichtbaren Läsionen auf der Blattoberfläche führt. Wenn die Bedingungen günstig sind, entstehen spezielle Strukturen, sogenannte Konidiophoren, und produzieren mehr Konidien, die sich durch den Wind oder atmosphärische Tröpfchen auf mehr Reispflanzen verteilen.

Während dieser asexuelle Fortpflanzungsmodus die Hauptantriebskraft des Lebenszyklus von P. oryzae ist, haben Wissenschaftler die erfolgreiche sexuelle Fortpflanzung dieses Pilzes in Laborumgebungen nachgewiesen. Der Pilz scheint Stämme zu haben, die biologischen Männchen und biologischen Weibchen entsprechen. Allerdings zeigen die meisten auf den Feldern gesammelten Exemplare einen Verlust der weiblichen Fruchtbarkeit. Die zugrunde liegenden Gene und Mechanismen, die für den Verlust der sexuellen Fortpflanzung bei P. oryzae verantwortlich sind, sind weiterhin ein Rätsel.

Forscher der Tokyo University of Science, der National Agriculture and Food Research Organization und der Tokyo University of Agriculture and Technology, Japan, haben kürzlich Beweise für diesen vorteilhaften Verlust der sexuellen Fortpflanzung beim Reisbrandpilz entdeckt.

Das Forschungsteam wurde von Professor Takashi Kamakura und Junior Associate Professor Takayuki Arazoe vom Department of Applied Biological Science der Tokyo University of Science geleitet. Ihre Studie wurde veröffentlicht in iScience.

Zur Prämisse der Studie erklärt Prof. Kamakura: „Viele Pilzarten haben die sexuelle Fortpflanzung aufgegeben, was nicht mit den evolutionären Vorteilen des Geschlechts übereinstimmt und das Paradoxon des Geschlechts schürt. In Zukunft wird diese Forschung auch dazu beitragen, nützliche industrielle Stämme zu züchten oder zu verstehen, wie Krankheitserreger auf Mutationen reagieren, indem sie erklärt, wie Diversität in Pilzen erworben wird.“

Die Forscher verwendeten mehrere genetische Experimente, um herauszufinden, welche Gene mit weiblicher Sterilität verbunden sind. Elternstämme von P. oryzae-Feldisolaten wurden gezüchtet, um weiblich sterile und weiblich fruchtbare P. oryzae-Nachkommen hervorzubringen.

Weitere genetische Analysen ergaben, dass Mutationen, die zu einem dysfunktionalen Pro1-Protein führten (das an der Expression paarungsbezogener Gene in Fadenpilzen beteiligt ist), bei Reisbrandpilzen zu weiblicher Sterilität führten.

Dr. Arazoe fügt hinzu: „Zu unserer Überraschung erhöhte das dysfunktionale Pro1 die Freisetzung von Konidien, hatte jedoch keinen Einfluss auf die Pathogenität von P. oryzae. Wir fanden auch Pro1-Mutationen in Weizen-infizierenden Isolaten, von denen eine weltweite Ausbreitung (Pandemie) befürchtet wird – ein Befund, der darauf hindeutet, dass eine ähnliche Entwicklung (Verlust der sexuellen Fortpflanzung) beim Weizenbrandpilz stattgefunden hat.“ Aufbauend auf diesen Ergebnissen ist die Forschungsgruppe bereits federführend bei der Identifizierung und Charakterisierung anderer Gene, die bei Pilzarten weibliche Sterilität verursachen.

Prof. Kamakura erklärt die umfassenderen Implikationen dieser Arbeit und kommt zu dem Schluss: „Wir haben den ersten Beweis dafür geliefert, dass der Verlust der weiblichen Fruchtbarkeit ein Anpassungsvorteil für diesen Pflanzenpathogen sein könnte.