Pilzgenome enthüllen die Evolution des Ligninabbaus

Weißfäulepilze sind die einzigen Organismen, die Lignin zersetzen können – dies verleiht Holz seine Festigkeit und Stabilität. Forscher verglichen das Erbgut von 31 Pilzarten, um dieser Fähigkeit auf die Spur zu kommen. Sie entdeckten, dass sich Weißfäulepilze am Ende des Kohlezeitalters entwickelten. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Ligninabbau möglicherweise zum Ende dieser Periode beitrug. Nun könnten die Pilze jedoch durch dieselbe Fähigkeit helfen die Entwicklung effizienterer Verfahren zu Gewinnung von Biokraftstoffen voranzutreiben.

Holz ist ein sehr widerstandsfähiges Material. Dies ist vor allem auf Lignin zurückzuführen. Lignozellulose bildet die Zellwand verholzter Pflanzen. Als Gerüst dient dabei Cellulose und Hemicellulose. Lignin ist ein Polymer, welches sich in diesem Gerüst einlagert und dazu führt, dass die Zellen eine feste Struktur entwickeln. Daher auch der für diesen Vorgang gebräuchliche Name „Verholzung“. Es stabilisiert die Pflanze und schützt z.B. vor starkem Wind. Das robuste Lignin schützt aber auch Cellulose und Hemizellulose vor dem Angriff von Schädlingen.

Biologischer Ligninabbau

Die einzigen Organismen, die dazu fähig sind Lignin zu zersetzen sind Weißfäulepilze (z.B. Phanerochaete chrysosporium). Sie befallen Holz, um daraus Nährstoffe zu gewinnen. Befallene Stellen am Baum erkennt man durch eine helle „weiße“ Verfärbung. Die Pilze gehören zur Klasse der Agaricomycetes, zu der man auch Braunfäulepilze sowie andere Mykorrhiza-Arten zählt. Braunfäulepilze (z.B. Serpula lacrymans) lösen chemische Reaktionen im Holz aus, durch die Cellulose freigelegt wird. Die Cellulose zersetzen sie dann mithilfe von Enzymen. Lignin bleibt dabei als Reststoff übrig. Die anderen Mykorrhiza-Arten sind jedoch nicht in der Lage Holzbestandteile zu zersetzen.

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Warum können einige Pilze aus der Klasse der Agaricomycetes Lignin zersetzen und andere nicht? Wie und wann sind sie entstanden? Und wie entwickelten sich die Enzyme, welche die äußerst robuste Zellwand verholzter Pflanzen zersetzen können? Diesen Fragen ging ein internationales Forscherteam unter deutscher Beteiligung nach.

Vergleichende Genomanalysen enthüllen die Entwicklung der Enzyme

Um die Evolution der holzabbauenden Enzyme zu verstehen, verglichen die Wissenschaftler die Genome von 31 Pilzarten. Zwölf davon entschlüsselten sie eigens für diese Studie und verglichen sie mit 19 bereits bekannten Pilzgenomen.

Die Wissenschaftler konzentrierten sich dabei hauptsächlich auf die Gene, die für die potentielle Bildung verschiedener Enzyme zum Abbau der Holzbestandteile (Lignin, Cellulose und Hemizellulose) verantwortlich sind. Konkret betrachteten sie 27 Genfamilien, welche mit dem Holzabbau in Verbindung gebracht wurden.

Aus der phylogenetischen Analyse leiten die Forscher ab, dass die Lignin-abbauenden Peroxidasen (Enzyme) erstmals bei dem gemeinsamen Vorfahren der Agaricomycetes, einem Weißfäulepilz, auftauchten und in verschiedenen Pilzlinien verloren gingen. Braunfäulepilze sind beispielsweise nicht mit diesen Enzymen ausgestattet. Sie entwickelten sich daher später als Weißfäulepilze: „Sie entwickelten sich, indem bestimmte Gene aus dem Erbgut der Weißfäulepilze im Laufe der Zeit verschwanden“, erklärt Prof. Dr. Ursula Kües von der Universität Göttingen, die an der Studie beteiligt war. Ihnen fehlen also die Gene, welche Lignin-abbaue Enzyme kodieren. Daher zersetzen sie nur Cellulose und Lignin bleibt bei ihnen als Reststoff zurück. Der Verlust von Genen führte also zu Braunfäulepilzen und durch weitere Verluste letztlich auch zu anderen Mykorrhiza-Arten, die keine Holzbestandteile abbauen können.   

Der Ursprung des biologischen Ligninabbaus

Die Ursprünge der Weißfäulepilze liegen, den Forschern zufolge, im Paläozoikum: Sie fanden heraus, dass sie erstmals vor etwa 300 Millionen Jahren auftauchten, also zum Ende des Karbonzeitalters. Dieses ist als „Kohlezeitalter“ bekannt, da sich hier große Steinkohlevorräte ablagerten.

Dass die Pilze genau dann ihre Fähigkeiten zum Ligninabbau erwarben, spiegelt sich, den Forschern zufolge, auch in der Erdgeschichte wider: „Zu dieser Zeit ging die Bildung von Kohlevorkommen aus Pflanzen deutlich zurück“, erläutert Kües weiter. „Ein Grund dafür könnte das Auftreten der Weißfäulepilze gewesen sein. Braunfäulepilze entstanden offenbar deutlich später“. Damit legen die Ergebnisse nahe, dass sich Lignin-abbauende Pilze durch Enzyme Holz als Nährstoffquelle erschlossen und dies Auswirkungen auf die Bildung von Kohle durch pflanzliche Ablagerungen hatte. Denn Kohle besteht aus den Überresten von abgestorbenen Pflanzen und zum großen Teil auch aus Ligninen. Es ist zu vermuten, dass sich noch größere Kohlvorkommen entwickelt hätten, wären nicht Lignin-abbauende Pilzarten entstanden.  

Anwendungsmöglichkeit: Biokraftstoffe der zweiten Generation

Die Ergebnisse der vorliegenden Studie könnten Forschern u.a. helfen, Enzyme zu identifizieren, welche für die Herstellung von Biokraftstoffen der zweiten Generation verwendet werden können. Als Vorbild für die biotechnologischen Prozesse könnten also hochspezialisierte Pilze dienen, die in der Lage sind Lignocellulose langsam zu zersetzen. Da diese Enzyme ausbilden, die in der Lage sind Lignocellulose in Cellulose, Hemicellulose und Lignin zu spalten - Diese Stoffe können dann weiterverarbeitet werden. Bei der Spaltung von Cellulose entstehen Zuckermoleküle, aus denen mittels Fermentation Bioethanol erzeugt wird. Derzeit ist es aufwendig und kostenintensiv Zuckermoleküle aus Cellulose zu gewinnen.

Ziel ist es Enzyme zu finden, die diesen Prozess - und damit die Nutzung des energiereichen Rohstoffs Holz - effizienter werden lässt. Biokraftstoffe könnten dadurch kostengünstig im großen Maßstab produzieren werden. So wäre es möglich die hochkomplexen Strukturen biologisch aufzubrechen ohne zusätzliche Energiezufuhr oder starke Chemikalien. Die vorliegende Studie bildet eine gute Wissensbasis, von der aus man diese Enzyme identifizieren und die Abbauprozesse zukünftig optimieren kann. Vor allem müsste man den biologischen Abbauprozess beschleunigen, da dies ein sehr langsam ablaufender Zersetzungsvorgang ist. 

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Wozu eigentlich Lignin?

Lignin zählt zu den sekundären Pflanzenstoffen, d.h. es ist ein Stoff, der für Pflanzen nicht lebensnotwendig, wenn doch mitunter sehr nützlich ist. Sekundäre Pflanzenstoffe werden auch sekundäre Stoffwechselprodukte genannt, da sie nicht im primären Stoffwechsel verankert sind. Für die Pflanzen hat Lignin eine festigende und schützende Funktion und bietet ihnen dadurch Vorteile: Sie konnten sich dadurch besser an Umweltbedingungen anpassen und sind effizienter gegen Schädlinge geschützt. Durch die Vorteile, die sie bieten, sind diese sekundären Stoffe für die Ausbreitung und das Überleben vieler Pflanzen ausschlaggebend.

Vor rund 500 Millionen Jahren besiedelten Pflanzen das Land und erschlossen sich durch die Anpassung an die neuen Gegebenheiten einen neuen Lebensraum. Weng et al. (2012) gehen davon aus, dass zu jener Zeit auch die sekundären Pflanzenstoffe entstanden. Die Vielfalt an sekundären Pflanzenstoffen und deren Stoffwechselwegen entwickelte sich im Laufe der Zeit aus dem primären Stoffwechsel und bot den Pflanzen die Möglichkeit sich auf dem Land weiter auszubreiten.

Weng et al. zufolge, entstanden diese Stoffe höchstwahrscheinlich durch Genduplikationen und nachfolgende Mutationen, die aufgrund von Selektion weitervererbt wurden oder wieder verschwanden. Durch die Duplikation von Genen könnten diese neue Funktionen angenommen haben, die der Pflanze nützlich wurden. Primäre, also lebensnotwenige Enzyme, werden durch Mutationen unwiderruflich geschädigt und können ihre Funktionen nicht mehr wahrnehmen. Spezialisierte Stoffwechselenzyme, die nicht im primären Stoffwechsel aktiv werden, könnten den Forschern zufolge toleranter gegenüber Mutationen sein. Wäre die Hypothese der Forscher wahr, dann könnte diese Toleranz der sekundären Pflanzenstoffe zu der chemischen Vielfalt im Pflanzenreich beigetragen haben.