Heimliche Invasion

Forscher haben das Genom des bedeutenden Weizenschädlings Mycosphaerella sequenziert. Die Genomstruktur des Schädlings gibt Aufschluss darüber, wie geschickt der Pilz die Abwehrmechanismen der Pflanzen austrickst.

Die Blattdürre zählt zu den wirtschaftlich bedeutendsten Weizenkrankheiten weltweit. Die Krankheit, die von dem Schlauchpilz Mycosphaerella graminicola verursacht wird, befällt neben Weizen auch andere Getreidesorten und verursacht Ernteausfälle von bis zu 50%. Zur Bekämpfung des Pilzes werden jährlich weltweit Fungizide im Wert von mehreren Hundert Millionen Euro gespritzt. 

Doch der Pilz Mycosphaerella ist schwer zu bekämpfen, denn seine Populationen sind genetisch äußerst variabel. Zudem verfolgt der Pilz eine sehr ungewöhnliche Angriffsstrategie: Mycosphaerella infiziert seine Wirtspflanzen durch die Spaltöffnungen (Stomata) der Blätter und nicht, wie bei anderen Pathogenen typisch, direkt durch die Zellwand. Von der Infektion bis zu den ersten Symptomen können durch diese Strategie bis zu zwei Wochen vergehen, in denen sich der Pilz unbemerkt ausbreiten kann. 

Die genetischen und biochemischen Mechanismen der Blattdürre-Krankheit sind bislang noch kaum ergründet. Einem internationalen Forscherteam ist es nun gelungen, das Genom des Pilzes zu entschlüsseln. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der Fachzeitschrift PLOS Genetics veröffentlicht.

13 plus 8 Chromosomen

Das Genom des Pilzes Mycosphaerella besteht aus 21 Chromosomen. 13 dieser Chromosomen bilden das Kerngenom. Sie sind für den Pilz lebensnotwendig. Die Funktion der anderen acht Chromosomen war bislang unklar. Sie scheinen keinerlei Einfluss auf das Aussehen und die Fitness des Pilzes zu haben. Vermehrt man den Pilz geschlechtlich, so zeigen diese Chromosomen in den Nachkommen zudem eine überraschende Plastizität: So wurden zahlreiche genetische Varianten des Genoms festgestellt. Einigen Nachkommen fehlten einzelne dieser „entbehrlichen“ Chromosomen völlig, auch wenn diese bei beiden Eltern vorhanden waren. 

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Die acht scheinbar „entbehrlichen“ Chromosomen werden als „Dispensom“ (dispensable = entbehrlich; -om = abgeleitet von Genom) bezeichnet. Sie unterscheiden sich in ihrer Struktur und dem Gen-Inhalt stark von den 13 Kernchromosomen. Das Dispensom enthält etwa 12% der gesamten DNA, aber nur 6% der Gene. Im Vergleich dazu ist der Informationsgehalt der Kernchromosomen deutlich höher. Sie enthalten doppelt so viele Gene pro Megabyte der DNA und nur halb so viel repetitive DNA, also DNA-Sequenzen aus sich wiederholenden DNA-Abschnitten. Die Gene des Dispensoms sind zudem deutlich kürzer als die der Kernchromosomen und zeigen auch Unterschiede in den Codons. 

Einzigartige Genomstruktur

Im Mycosphaerella-Genom konnten 60% der Gene auf den Kernchromosomen und nur 10% der Dispensom-Gene einer Funktion zugeordnet werden. Die meisten einmaligen Dispensom-Gene kodieren für punktuelle Transkriptionsfaktoren oder spielen eine Rolle bei der Genregulation bzw. bei der Signaltransduktion. Andere Gene des Dispensoms waren Kopien von Genen der Kernchromosomen. Teilweise waren diese redundanten Gene auf den Kernchromosomen inaktiv. Da das Dispensom nicht im gleichen Maße auf die Tochterzellen weitergegeben wird, entsteht eine zusätzliche Plastizität. Diese eröffnet dem Pilz neue Überlebens- und Anpassungsstrategien. 

Wie die Zusatz-Chromosomen in den Pilz kamen

Wahrscheinlich erhielt Mycosphaerella seine Zusatz-Chromosomen durch einen mehr als 10.000 Jahre zurückliegenden horizontalen Gentransfer von einer anderen Art. Auf diese Theorie deuten Verwandtschaftsvergleiche (Syntenie) mit anderen verwandten Pilzarten hin. Eine starke Rekombination mit den Kernchromosomen und die Degeneration von Genen führten demnach im Laufe der Evolution zu der einzigartigen Genomstruktur des Pilzes. Zwar gibt es auch in anderen Organismengruppen überzählige und nicht lebensnotwendige Chromosomen. Jedoch ist das Dispensom von Mycosphaerella durch die Menge und Redundanz der enthaltenen Gene sowie der Schwierigkeit, diesen eine klare Funktion zuzuschreiben, bisher einmalig.

Der Schädling im Schafspelz

Viele Pathogene infizieren ihre Opfer, in dem sie vermehrt Enzyme produzieren, die die Zellwand des Wirts abbauen können. Im Vergleich zu anderen Pilzgenomen enthält das Genom von Mycosphaerella überraschend wenige Gene, die für derartige Enzyme kodieren. Diese Tatsache könnte Ergebnis einer evolutionären Anpassung des Pilzes sein, vermuten die Forscher. Denn die Zellwand-Killer machen die Abwehr der Wirtspflanze auf den Schädling aufmerksam. Indem Mycosphaerella in einer ersten latenten Infektionsphase nur wenige dieser Enzyme ausschüttet, kann der Pilz unbeobachtet in das Pflanzeninnere eindringen und sich dort ausbreiten. Diese Vorgehensweise ist typisch für Endophyten, also für Lebewesen, die im Inneren einer Pflanze leben, ohne diese zu töten (biotrophe Lebensweise), nicht jedoch für pathogene Pilze. 

Im Gegensatz zu anderen Pilzen ernährt sich Mycosphaerella in der anfänglichen Infektionsphase zudem von Proteinen und nicht von Kohlenhydraten in der Zellflüssigkeit. Hierauf deuten große Mengen an Proteasen hin, die die Forscher in dem Pilz nachweisen konnten. Wahrscheinlich ist auch dies ein Mechanismus, um die Pflanzenabwehr zu umschiffen.

Die Wissenschaftler gehen deshalb von einem zweiphasigen Infektionsmechanismus des Pilzes aus: Nach der anfänglichen biotrophen Phase, in der sich der Pilz unauffällig in der Pflanze ausbreitet, schließt sich eine nekrotrophe Phase an. In dieser zweiten Phase produziert der Pilz vermehrt Zellwand-abbauende Enzyme und Enzyme, die den kontrollierten Zelltod von Wirtszellen auslösen. Die Wissenschaftler vermuten, dass der Pilz entweder ursprünglich als Endophyt gelebt hat oder umgekehrt, sich zunehmend zu einem endophytischen Organismus entwickeln könnte. 

Mit dem Wissen über die Infektionsmechanismen des Weizenschädlings können nun effizientere Pflanzenschutzmaßnahmen entwickelt werden. Das erste sequenzierte Schlauchpilz-Genom dient der Wissenschaft zudem als ein Modell für die weitere Erforschung von Pilzkrankheiten bei Pflanzen.