Vom Schädling zum Nützling

Vom tödlichen Feind zum hilfreichen Untermieter – diese Verwandlung erfährt der pflanzenpathogene Pilz Sclerotinia sclerotiorum, wenn er vom Mykovirus SsHADV-1 infiziert wird. Was dahintersteckt und ob das Virus sich damit zum biologischen Pflanzenschutz eignet, hat ein internationales Forschungsteam untersucht.

Pathogene Pilze sind weltweit für enorme Ernteausfälle verantwortlich. Durch den globalen Handel und die Veränderung des Klimas breiten sich viele Erreger aus und treffen auf Anbauregionen, die nicht auf sie vorbereitet sind. Die Landwirtschaft benötigt daher dringend verlässliche, schnell wirkende und umweltfreundliche Bekämpfungsmethoden. Mykoviren, also Pilze infizierende Viren, könnten hier überraschender Weise ein Lösungsansatz sein.

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Der Schadpilz Sclerotinia sclerotiorum hat diese Rapspflanzen infiziert. Pfeile kennzeichnen die Hyphen des Pilzes.

Bildquelle: © Daohong Jiang

Virus senkt Pilz-Pathogenität

Denn ein Forschungsteam aus China und Dänemark entdeckte in Zellen des Pilzes Sclerotinia sclerotiorum – der Raps, Soja und Sonnenblumen befällt – ein hypovirulentes Mykovirus. Hypovirulent bedeutet, dass das Virus seinen Wirt nicht tötet. Und es ändert die Pathogenität des Pilzes: Anders als virusfreie Pilze wächst der infizierte S. sclerotiorum-Pilzstamm DT-8 an Rapsblättern, ohne diese zu verletzen. Auch an den Rapswurzeln fanden die ForscherInnen Hyphen von DT-8, die den Wirt nicht schädigen. Durch das Mykovirus wird S. sclerotiorum zum harmlosen Endophyten. Das gefundene Virus heißt SsHADV-1 (Sclerotinia sclerotiorum hypovirulence-associated DNA virus 1) und besitzt eine zirkulare, etwa 2 000 Basenpaare lange Einzelstrang-DNA.

Veränderte Genaktivitäten erklären geringere Virulenz

Um dem Geheimnis des Pathogenitätsverlustes auf die Spur zu kommen, verglichen die ForscherInnen die Genaktivitäten von DT-8 mit einem virusfreien und damit virulenten Pilz. Es stellte sich heraus, dass durch die Virusinfektion 106 Gene hochreguliert und 41 herunterreguliert wurden.

Die hochregulierten Gene standen mit dem Zellzyklus, der DNA-Verarbeitung und -reparatur sowie der Zellverteidigung im Zusammenhang. Herunterregulierte Gene fanden sich im Bereich des Stärke- und Saccharose-Stoffwechsels – und damit dem Cellulose-Metabolismus. Im Vergleich zum virulenten Stamm waren außerdem die Gene für jene Enzyme herunterreguliert, die die pflanzliche Zellwand abbauen. Auch die Gene für Effektorproteine, wichtige Angriffswerkzeuge des Pilzes, waren weniger aktiv. Das Gen für Cutinase hingegen, dessen Genprodukt als Elicitor die pflanzliche Abwehr verstärkt, war hochreguliert.

Kaum Unterschiede zeigten sich bei den Genen für das Appressorium, das der Pilz benötigt, um sich an die Pflanzenoberfläche anzuheften. In Summe zeigte sich DT-8 durch das Virus so weniger virulent und destruktiv.

DT-8-Befall fördert Pflanzenresistenz

Im nächsten Schritt wollte das Forscherteam klären, wie sich ein DT-8-Befall auf die Genaktivitäten in Rapspflanzen auswirkt. Es stellte sich heraus, dass lediglich 348 der insgesamt etwa 100 000 Rapsgene in ihrer Aktivität verändert waren. Es handelt sich fast ausschließlich um Gene der Pflanze-Pathogen-Interaktion, des MAPK-Signalwegs, der Pflanzenhormonsignalwege, der circadianen Rhythmik und der Biosynthese von Cutin bzw. Suberin. Viele dieser Signalwege oder Proteine hängen mit der Reaktion auf biotischen oder abiotischen Stress zusammen oder mit der Widerstandsfähigkeit gegen Verletzungen.

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Dies ist ein Foto eines Rapsfeldes in der Stadt Chongqing, China. In der Studie testete das Forschungsteam auch eine DT-8-Sprühimpfung von Raps unter Feldbedingungen.

Bildquelle: © Daohong Jiang

Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass das „harmlose“ endophytische Wachstum von DT-8 die Abwehrbereitschaft der Rapspflanzen gegen virulente Pilzstämme erhöhen könnte.

Und in der Tat konnte das experimentell nachgewiesen werden. Die Verletzungen des Blattgewebes infolge einer Infektion mit dem virulenten Stamm S. sclerotiorum 1980 fielen signifikant kleiner aus. Gegen bestimmte Schadpilze zeigten sich sogar Resistenzen. Ein vergleichbarer Effekt kam zutage, wenn der Rapssamen mit einer Lösung besprüht wurde, die Fragmente von DT-8-Hyphen enthielt. In einem weiteren Experiment erzeugte der virulente Pilzstamm Ep-1PNA367V ähnliche Schutzmechanismen beim Raps, wenn der Stamm zuvor mit SsHADV-1 infiziert wurde. Weiterhin konnte das Team demonstrieren, dass DT-8 als Endophyt das Mykovirus auch auf vegetativ inkompatible virulente Pilz-Stämme übertragen und somit deren Virulenz dämpfen konnte.

In der Studie testete das Forschungsteam auch eine DT-8-Sprühimpfung von Raps unter Feldbedingungen. Die Versuche zeigten, dass der Einsatz in der frühen Blüte die Stängelfäule um 30 bis 68 Prozent verringerte und den Samenertrag um 7 bis 15 Prozent verbesserte.

Potenzial als biologischer Pflanzenschutz

Wie das Mykovirus diese Effekte auslösen kann, ist bislang noch rätselhaft. Gesichert ist nun hingegen, dass manche hypovirulenten Mykoviren als Endophyten ihre Wirte beeinflussen können. Für die Landwirtschaft lautet die wichtigste Botschaft jedoch, dass sich hier ein praktikabler Ansatz für den biologischen Pflanzenschutz eröffnet. Die Anwendung könnte sogar sehr einfach sein: Die Samen werden mit dem nützlichen Pilz geimpft und die daraus entstehende Pflanze geht gestärkt ins Leben.

Quelle:
Zhang, H. et al. (2020). A 2-kb Mycovirus Converts a Pathogenic Fungus into a Beneﬁcial Endophyte for Brassica Protection and Yield Enhancement. In: Molecular Plant 13, 1-14, (5. Oktober 2020), doi: 10.1016/j.molp.2020.08.016.

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