Wie Pilze ihre Fähigkeit verbessern, Insekten zu infizieren

Forscher des Kieler Evolutionszentrums haben erstmals im Detail untersucht, wie ein für den biologischen Pflanzenschutz wichtiger Pilz ein vorteilhaftes Chromosom horizontal weitergeben kann und dabei eine bisher wenig erforschte Art des Austauschs genetischer Informationen nutzt.

Nachhaltige Pflanzenschutzmaßnahmen, die nicht auf chemischen Pestiziden basieren, greifen auf verschiedene Organismen und biologische Wirkstoffe zurück, um Nutzpflanzen vor Schädlingen zu schützen. Solche im biologischen Pflanzenschutz eingesetzten Organismen sind beispielsweise mikroskopisch kleine Pilze der Gattung Metarhizium, die eine Vielzahl pflanzenpathogener Insekten befallen und töten können und beispielsweise im südamerikanischen Zuckerrohranbau eingesetzt werden.

Die molekularen Mechanismen der Pilzinfektion und die Immunantwort von Insekten unterliegen einem fortlaufenden Prozess gegenseitiger evolutionärer Anpassung. In einem gemeinsamen Projekt mit Kollegen vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) untersuchte ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel die genetischen Veränderungen des Pilzes während der Infektion der invasiven Argentinischen Ameise (Linepithema humile).

Die Forscher untersuchten die Genome verschiedener Stämme der Pilze Metarhizium robertsii und Metarhizium brunneum aus einem früheren Koinfektionsexperiment, bei dem Ameisen mit der Pilzmischung infiziert worden waren.

In der Studie wurden die herauswachsenden Sporen verwendet, um über zehn aufeinanderfolgende Infektionszyklen neue Ameisen zu infizieren. Bei der Analyse der Pilzgenome aus diesen Infektionsserien machte der Pilzgenetiker und Erstautor der Studie, Dr. Michael Habig von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, eine spannende Beobachtung: Seine Analysen zeigten, dass ein einzelnes Chromosom sehr häufig horizontal zwischen zwei verschiedenen Stämmen ausgetauscht wurde.

Dieses Chromosom enthält bestimmte Gene, von denen die Wissenschaftler vermuten, dass sie dem Pilz einen Vorteil bei der Infektion seiner Wirte verschaffen könnten. Der horizontale Transfer ganzer Chromosomen wurde selten wissenschaftlich beschrieben und nun erstmals im Detail untersucht. Die Forscher vom Kiel Evolution Center (KEC) und ISTA veröffentlicht ihre Ergebnisse im Journal Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Horizontaler Chromosomentransfer bei insektenschädigendem Pilz festgestellt

Wissenschaftler verwenden den Begriff „horizontaler Gentransfer“, um zu beschreiben, wie lebende Organismen genetisches Material zwischen verschiedenen Individuen, auch solchen anderer Arten, übertragen können. Auf diese Weise tauschen Bakterien umfangreiche genetische Informationen, häufig in Form von Plasmiden, aus, um sich schnell an veränderte Umweltbedingungen oder an den Wirt anzupassen. Auf solchen Mechanismen beruht unter anderem die rasante Evolution verschiedener Krankheitserreger.

„Bei Pilzen und vielen anderen sogenannten eukaryotischen Organismen ist der horizontale Gentransfer in Form ganzer Chromosomen jedoch sehr selten und bisher kaum erforscht“, sagt Dr. Michael Habig, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

„Die Analyse der genetischen Informationen der Pilzstämme zeigt, dass M. robertsii während der Koinfektionsexperimente insgesamt fünf Mal unabhängig voneinander ein einzelnes Chromosom übertragen hat, jedoch keine andere genetische Information von einem Stamm auf einen anderen per horizontalem Transfer“, so Habig weiter .

Weitere Analysen ergaben außerdem, dass das gleiche Chromosom auch in der entfernt verwandten, ebenfalls insektenschädigenden Pilzart Metarhizium guizhouense zu finden ist, deren gemeinsamer evolutionärer Ursprung mit M. robertsii etwa 15 Millionen Jahre zurückreicht.

„Das Chromosom in M. guizhouense ist deutlich weniger verändert, als man für die lange Zeit der getrennten Evolution der beiden Pilzarten annehmen würde. Das Chromosom scheint daher auch auf natürliche Weise zwischen diesen verschiedenen Pilzarten weitergegeben worden zu sein – und zwar wahrscheinlich horizontal.“ sagt Habig.

Die Analyse des Chromosoms weist auf mögliche Überlebensvorteile des Pilzes hin

Bei dem untersuchten Chromosom handelt es sich um ein sogenanntes akzessorisches Chromosom. Dies bedeutet, dass es nicht bei allen Individuen einer Art vorkommt und nicht-essentielle genetische Informationen enthält.

„Die Experimente zeigten, dass der Pilz, der das akzessorische Chromosom erhalten hatte, unter bestimmten Bedingungen Wettbewerbsvorteile gegenüber Pilzen des gleichen Stammes, die das akzessorische Chromosom erhalten hatten, hatte und sich gegen diese durchsetzen konnte. Diese Vorteile wollen wir im Detail untersuchen.“ „Wir werden in Zukunft noch genauer darauf eingehen“, sagt Habig.

Aus der Analyse der Gene auf dem Chromosom konnte das Kieler Forschungsteam bereits erste Hinweise ableiten. „Das Chromosom enthält Hunderte von Genen, deren mögliche Funktionen wir erst in Zukunft entschlüsseln können. Allerdings konnten wir bereits 13 Kandidatengene identifizieren, die vermutlich für sogenannte Effektorproteine ​​verantwortlich sein könnten, die mit dem Chromosom interagieren können.“ zum Beispiel das Immunsystem von Insekten“, so Habig weiter.

Die Übertragung des Chromosoms könnte daher Vorteile für den Pilz haben, deren funktionelle Grundlage noch unklar ist. Eine plausible Möglichkeit ist jedoch die Übertragung bestimmter Gene, die chitinspaltende Enzyme produzieren und so die Infektionsfähigkeit der Insekten verbessern können.

„Bemerkenswert ist, dass wir unter anderem die Gene von drei solchen Enzymen gefunden haben, die vermutlich beim Abbau der Chitin-haltigen Kutikula des Wirtsinsekts eine Rolle spielen. Dies könnte einen entscheidenden Schritt im Infektionsprozess beeinflussen, wie z Pilzsporen sind darauf angewiesen, in das schützende Außenskelett des Wirts einzudringen, um ihn zu infizieren“, sagt Professorin Sylvia Cremer, Letztautorin der Studie, vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA).

Insgesamt bieten die Forschungsarbeiten interessante neue Aspekte zu einem bisher bei Pilzen wenig untersuchten Weg des Austauschs genetischer Informationen.

„Unsere neue Arbeit zeigt, dass es bei Pilzen regelmäßig zu einem horizontalen Chromosomentransfer kommt und dass dieser Mechanismus dem Empfängerstamm zumindest in Experimenten unter bestimmten Bedingungen Vorteile bringen kann“, sagt Habig.

Das Kieler Forschungsteam und seine Kooperationspartner vom ISTA beschreiben damit erstmals ausführlich einen neuen Aspekt in der Genomentwicklung von Pilzen, die möglicherweise bakterienähnliche Mechanismen der schnellen evolutionären Anpassung nutzen können, um beispielsweise ihre Virulenz zu erhöhen oder schädlich für ihren Wirtsorganismus zu sein und genetische Informationen über Artgrenzen hinweg zu übertragen.

Zukünftig wollen die Forscher am Beispiel von M. robertsii die Zusammenhänge zwischen horizontalem Chromosomentransfer, möglichen Fitnessvorteilen und der gegenseitigen Anpassung von Pilzen und Insekten im Detail untersuchen und so weitere Einblicke in diesen für uns wichtigen Organismus gewinnen Pflanzenschutz.