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Wie Arabidopsis einen Pilz ausnutzt

17.05.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Mikroskopischer Ausschnitt einer Arabidopsis thaliana-Wurzel (violett), die mit Pilzgeflecht von Colletotrichum tofieldiae (grün) umgeben ist. (Bildquelle: © MPI f. Pflanzenzüchtungsforschung)
Mikroskopischer Ausschnitt einer Arabidopsis thaliana-Wurzel (violett), die mit Pilzgeflecht von Colletotrichum tofieldiae (grün) umgeben ist. (Bildquelle: © MPI f. Pflanzenzüchtungsforschung)

Arabidopsis ist in der Lage, je nach Nährstoffangebot im Boden einen Phosphat-liefernden Bodenpilz entweder zu bekämpfen, oder sich mit ihm zu verbünden. Wissenschaftler konnten nun zeigen, dass nur wenige Änderungen im Erbgut des Pilzes ausreichen, um aus einem Krankheitserreger einen Partner zu machen.

Bereits vor wenigen Wochen berichtete Pflanzenforschung.de unter dem Titel „Pakt nach Bedarf -Ackerschmalwand geht nur bei Phosphatmangel eine Verbindung mit einem Pilz ein“ von der wandelbaren Beziehung zwischen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und einem Pilz. Das ist grundsätzlich bereits ungewöhnlich, da die Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae) eigentlich keine Verbindungen mit Mykorrhiza-Pilzen eingeht, mit der andere Pflanzen ihre Nährstoffversorgung sicherstellen. Manchmal scheint Arabidopsis diesbezüglich jedoch eine Ausnahme zu machen:

Freundschaft nur bei Phosphatmangel im Boden

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Nur bei Phosphatmangel lässt die Modellpflanze Arabidopsis thaliana das Wachstum eines nützlichen Pilzes an ihren Wurzeln zu.

Nur bei Phosphatmangel lässt die Modellpflanze Arabidopsis thaliana das Wachstum eines nützlichen Pilzes an ihren Wurzeln zu.

Quelle: © sinitar/Fotolia.com

Was hier zwischen den Arten abläuft, würde man aus menschlicher Sicht als „ausnutzen“ bezeichnen: Denn Arabidopsis toleriert den Pilz nur dann, wenn die Pflanze nicht selbst an genügend Phosphor gelangt. Unter diesen Umständen darf der Pilz der Pflanze gerne zur Hand gehen und das lebenswichtige Element bereitstellen. Bei Phosphatmangel gewährt Arabidopsis dem Bodenpilz Colletotrichum tofieldiae Zutritt zu ihren Wurzelzellen, damit sie besser wachsen kann. Ist jedoch im Boden genügend für die Pflanze verfügbares Phosphat vorhanden, setzt die Pflanze ihr Immunsystem auf den Mitbewohner an, um dessen Wachstum in Schach zu halten.

Welche molekularen Anpassungen waren nötig?

Eigentlich sind Pilze der Gattung Colletotrichum Krankheitserreger. Ein internationales Team aus Wissenschaftlern unter der Leitung des Kölner Max-Planck-Institutes für Züchtungsforschung hat nun untersucht, welche molekularen Anpassungen bei Colletotrichum tofieldiae dazu führten, mit Arabidopsis im Bedarfsfall zu kooperieren. „Unsere Forschung läuft damit auch auf die Frage hinaus, wie Pflanzen darüber entscheiden, was ihnen nützt und was ihnen schadet und wie sie die verschiedenen Optionen gegeneinander abwägen“, so Stéphane Hacquard vom Kölner Max-Planck-Institut.

Um das zu klären, haben die Forscher das Erbgut von mehreren, auf unterschiedlichen Kontinenten gesammelten Varianten des nützlichen Colletotrichum tofieldiae mit dem Erbgut seines schädlichen Verwandten Colletotrichum incanum verglichen. Sie haben auch untersucht, welche Gene die beiden Pilze anschalten, wenn sie sich über eine Wurzel hermachen – und zwar unter Bedingungen mit genügend und mit zu wenig löslichem Phosphat im Boden.

Kein universeller Genbaukasten für ein friedliches Miteinander

Das Ergebnis des Erbgutvergleichs zeigte: Der letzte gemeinsame Vorfahre beider Pilzarten muss vor etwa acht Millionen Jahren gelebt haben. Das bedeutet, dass die Eigenschaften zur Kooperation mit Arabidopsis erst später im Laufe der Evolution hinzugekommen sind. Auf der Suche nach einem „universellen Genbaukasten für ein friedliches Miteinander“ zwischen Pilzen und Pflanzen, wurden die Forscher auch bei anderen Pflanzen und Pilzen nicht fündig. „Es gibt kein Standard-Set an Genen, mit dem Pilze dafür sorgen können, dass sie von den Pflanzen in ihren Wurzeln toleriert werden“, sagt Hacquard. „Das gedeihliche Miteinander muss also in der Evolution mehrmals unabhängig voneinander entwickelt worden sein.“

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Arabidopsis thaliana zählt zu den Kreuzblütlern (Brassicaceae). Kreuzblütler gehen eigentlich keine Verbindungen mit Mykorrhiza-Pilzen ein. Diese Form der Symbiose ist typisch für die Hülsenfrüchtler (Fabaceae oder Leguminosae), auch Leguminosen genannt, wie z. B. Lupinen.

Arabidopsis thaliana zählt zu den Kreuzblütlern (Brassicaceae). Kreuzblütler gehen eigentlich keine Verbindungen mit Mykorrhiza-Pilzen ein. Diese Form der Symbiose ist typisch für die Hülsenfrüchtler (Fabaceae oder Leguminosae), auch Leguminosen genannt, wie z. B. Lupinen.

Quelle: © Angelika Wolter / pixelio.de

Keine radikale Genomveränderung nötig

Wie sich zeigte, brauchte es für die Wandlung des Pilzes vom Feind zum Freund gar keine radikalen Veränderungen im Erbgut. „Von knapp 13.000 vorhandenen Genen sind 11.300 identisch. In den acht Millionen Jahren, seit dem sich die beiden Arten auseinander entwickelt haben, hat der nützliche Pilz 1.009 Gene hinzugewonnen und 198 Gene verloren“, fasst Hacquard das Ergebnis der genetischen Untersuchungen zusammen.

Eine große Diskrepanz gibt es jedoch bei der Anzahl der Effektorgene. Effektoren sind Proteine, mit denen Mikroorganismen versuchen, das Immunsystem einer Pflanze zu unterlaufen und auszuschalten. Der nützliche Pilz hat nur 133 Effektor-Gene, sein schädlicher Verwandter hat fünfzig Prozent mehr. Besiedelt der nützliche Pilz die Wurzeln von Arabidopsis, werden die wenigen Effektorgene so gut wie gar nicht abgelesen. Auch die pathogenen Gene, die immer noch im Erbgut des Pilzes angelegt sind, schlummern und werden gar nicht oder erst sehr spät abgelesen. „Wir schließen daraus, dass das gedeihliche Miteinander darauf beruht, dass die ursprünglich für die Pathogenese verantwortlichen Gene des Pilzes abgeschaltet bleiben und nicht zum Zuge kommen“, so Hacquard.

Doch auch in der Pflanze muss es Veränderungen bei einem Phosphatmangel geben. Denn nur dann fährt Arabidopsis ihr Immunsystem drastisch herunter, um den hilfreichen Pilz besser gewähren zu lassen. Wie Immunsystem und Ernährung bei Pflanzen genau miteinander verknüpft sind, wollen die Wissenschaftler als nächstes untersuchen.

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