Germany
June 19, 2020
Cabbage plants defend themselves against herbivores and pathogens by deploying a defensive mechanism called the mustard oil bomb: when the plant tissue is damaged, toxic isothiocyanates are formed and can effectively fend off attackers. Researchers at the Max Planck Institute for Chemical Ecology and the University of Pretoria have now been able to show in a new study that this defense is also effective to some extent against the widespread and detrimental fungus Sclerotinia sclerotiorum. However, the pathogen uses at least two different detoxification mechanisms that enable the fungus to successfully spread on plants defended in this way. The metabolic products thus formed are non-toxic to the fungus, allowing it to grow on these plants (Nature Communication, June 2020, DOI 10.1038/s41467-020-16921-2).
Infection of an Arabidopsis thaliana plant by the fungus Sclerotinia sclerotiorum. This fungus, which causes white mold disease, can colonize Arabidopsis in spite of the chemical defenses present using two detoxification pathways to deactivate the plant toxins. Photo: Anna Schroll
Sclerotinia sclerotiorum is a devastating fungal pathogen that can infect more than 400 different plant species. The main symptom of the disease called Sclerotinia wilt or white mold is wilting. Visible are also the white, cotton-like fungal spores that overgrow plant leaves and stalks. In agriculture, rapeseed cultivation is particularly at risk. The plant disease can affect other members of the cabbage family, and also potatoes, legumes and strawberries.
Scientists at the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena have long been studying the glucosinolates and isothiocyanates that constitute the special defense mechanism of cabbage family plants, which include rapeseed, radishes and mustard. "We wanted to find out how successful plant pathogens overcome the plant defense and colonize these plants. We therefore asked ourselves whether widespread fungal pathogens have strategies to adapt to the chemical defenses of plants of the cabbage family," Jingyuan Chen, the first author of the study, explains.
The researchers were able to show experimentally that the defense based on glucosinolates is actually effective against fungal attacks. However, they also discovered two different strategies of the white mold fungus to detoxify the defensive substances: The first is a general detoxification pathway that binds glutathione to the isothiocyanate toxins. This type of detoxification of organic poisons is quite common in insects and even mammals. The second and far more effective way to render the isothiocyanates harmless is to hydrolyse them, i.e. to cleave them enzymatically with a water molecule. The researchers wanted to identify the enzymes and corresponding genes underlying this detoxification mechanism. Genes that enable the successful detoxification of these substances had already been described in bacteria. They are called Sax genes after experiments with the model plant Arabidopsis thaliana: Survival in Arabidopsis eXtracts.
“We based our search on the known bacterial SaxA proteins to select candidate genes for further investigations. We then tested whether these genes are actually expressed in greater quantities in fungi exposed to the toxins, and whether the resulting protein can render the toxins harmless," explains Daniel Vassão, one of the study leaders. Using high-resolution analytical methods, the scientists were able to identify and quantify the metabolites produced by the fungus during detoxification. They also used mutants of the fungus in which the SaxA-encoding gene had been knocked out for comparison. This revealed that the Sax protein of the white mold fungus is active against a range of isothiocyanates, allowing it to colonize different plants of the cabbage family.
Mutants lacking the gene for this detoxification pathway were dramatically reduced in their capacity to tolerate isothiocyanates. "However, it was surprising to see that these mutants up-regulated their general pathway of detoxification, although this did not compensate for the mutation," says Jingyuan Chen. Glutathione conjugation cannot detoxify isothiocyanates nearly as effectively as hydrolysis can. Although it seems to be metabolically more expensive for the fungus, this general pathway is always present as it helps the fungus to detoxify a huge variety of poisons. "It is possible that this general pathway protects the fungus initially, while the machinery required for the more specialized pathway is assembled after an initial exposure to the toxin and can take over later in the infection," says Daniel Vassão.
In further experiments, the researchers want to investigate whether other fungi that successfully infect plants of the cabbage family also detoxify isothiocyanates via the same pathway, and whether unrelated fungal species are also able to degrade these toxins. “Then we will know whether this widespread detoxification is due to repeated evolution in fungi colonizing mustards, or is a feature which has been conserved over time and is therefore found in many fungal lines,” Jonathan Gershenzon, director of the Department of Biochemistry where the research was conducted, concludes.
Original publication:
Chen, J., Ullah, C., Reichelt, M., Beran, F., Yang, Z.-L., Gershenzon, J., Hammerbacher, A., Vassão, D. G. (2020). The phytopathogenic fungus Sclerotinia sclerotiorum detoxifies plant glucosinolate hydrolysis products via an isothiocyanate hydrolase. Nature Communication 11: 3090, DOI 10.1038/s41467-020-16921-2
https://doi.org/10.1038/s41467-020-16921-2
Further Information:
Dr. Daniel Giddings Vassão, Max Planck Institute for Chemical Ecology, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena. Tel. +49 3641 57-1333, E-Mail vassao [at] ice.mpg.de
Dr. Almuth Hammerbacher, Department of Zoology and Entomology, Forestry and Agricultural Biotechnology Institute, University of Pretoria, Pretoria, 0028 South Africa, E-Mail almuth.hammerbacher [at] fabi.up.ac.za
Prof. Dr. Jonathan Gershenzon, Max Planck Institute for Chemical Ecology, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena. Tel. +49 3641 57-1300, E-Mail gershenzon [at] ice.mpg.de
Schadpilz setzt die Pflanzenabwehr außer Kraft - Der im Pflanzenbau gefährliche Weißfäule-Pilz entschärft die pflanzliche Senföl-Bombe in Kohl
Kohlpflanzen wehren sich gegen Fraßfeinde und Erreger durch die sogenannte Senföl-Bombe. Dabei werden bei Verwundung des Pflanzengewebes in einer chemischen Reaktion giftige Isothiocyanate gebildet, die Angreifer wirksam abwehren können. Forschende am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie und der Universität Pretoria konnten nun in einer neuen Studie zeigen, dass diese Verteidigung zwar auch gegen den weitverbreiteten Schadpilz Sclerotinia sclerotiorum wirksam ist, dieser aber mindestens zwei verschiedene Entgiftungsmechanismen nutzt, um sich auf derlei verteidigten Pflanzen erfolgreich ausbreiten zu können. Dabei werden Stoffwechselprodukte gebildet, die für den Pilz ungiftig sind, und ihm wird so das Wachstum auf diesen Pflanzen ermöglicht (Nature Communication, Juni 2020, DOI 10.1038/s41467-020-16921-2).
Der Weißfäule-Pilz Sclerotinia sclerotiorum ist ein verheerender Schaderreger im Pflanzenbau, der mehr als 400 verschiedene Pflanzenarten befallen kann. Die Krankheit, die er verursacht, wird Weißstängeligkeit genannt, weil das weiße, watteartige Pilzgewebe zuerst die Stängel überwuchert. Durch das erkrankte Gewebe knicken die Pflanzen um und welken. In der Landwirtschaft ist vor allem der Rapsanbau betroffen, weshalb die Pilzerkrankung auch Rapskrebs genannt wird. Von der Pflanzenkrankheit sind verschiedene Kohlarten, aber auch Kartoffeln, Hülsenfrüchte und Erdbeeren betroffen.
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena beschäftigen sich schon lange mit Senfölglykosiden und Isothiocyanaten, die für den besonderen Abwehrmechanismus von Kohlpflanzen, zu denen Raps, Rettich und Senf gehören, grundlegend sind. „Wir wollten herausfinden, wie erfolgreiche Schaderreger die Pflanzen trotzdem erfolgreich infizieren können und dabei die pflanzliche Verteidigung überwinden. Wir stellten uns daher die Frage, wie ein weitverbreiteter Pflanzenpilz an die chemische Abwehr von Kohlpflanzen angepasst ist“ erläutert Jingyuan Chen, die Erstautorin der Studie.
Die Forscher konnten in Experimenten zeigen, dass die auf Senfölglykosiden basierende Abwehr tatsächlich gegen Pilzbefall wirkt. Allerdings entdeckten sie mindestens zwei verschiedene Strategien des Weißfäule-Pilzes, die Abwehrstoffe zu entgiften: Die erste ist ein allgemeiner Entgiftungsmechanismus, bei dem Glutathion an die giftigen Isothiocyanate gebunden wird. Diese Art von Entgiftung organischer Abwehrstoffe findet man häufig bei Insekten und sogar Säugetieren. Der zweite und weitaus effektivere Weg, die Isothiocyanate unschädlich zu machen, besteht in ihrer Hydrolyse, also ihrer enzymatischen Spaltung mit einem Wassermolekül. Ziel der Forscher war es nun, die für diesen Entgiftungsmechanismus zugrundeliegenden Enzyme und die entsprechenden Gene zu identifizieren. Aus Bakterien waren bereits Gene bekannt, die eine erfolgreiche Entgiftung dieser Stoffe ermöglichen. Sie werden nach den Untersuchungen an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, einem Kreuzblütengewächs, Sax-Gene genannt – Survival in Arabidopsis eXtracts (Überleben in Extrakten von Arabidopsis).
„Wir konzentrierten unsere Suche auf die bereits bekannten SaxA-Proteine, um Kandidatengene für unsere Untersuchungen auszuwählen. Dann testeten wir, ob diese Gene in Pilzen, die den Giftstoffen ausgesetzt waren, wirklich vermehrt aktiviert werden, und ob das resultierende Protein die Giftstoffe unschädlich machen kann,“ erklärt Daniel Vassão, einer der Studienleiter. Mit Hilfe hochauflösender analytischer Methoden konnten die Wissenschaftler die Stoffwechselprodukte, die bei der Entgiftung entstehen, im Pilz identifizieren und quantifizieren. Dafür verwendeten sie auch Mutanten des Pilzes, in denen das SaxA kodierende Gen stillgelegt worden war, zum Vergleich. Dieser Vergleich machte deutlich, dass das SaxA-Protein des Weißfäule-Pilzes gegen eine ganze Reihe von Isothiocanyaten aktiv ist. Dies nutzt der Pilz offenbar, um verschiedene Pflanzen der Gattung Kohl zu besiedeln.
Mutanten, denen das Gen für diesen Entgiftungsweg fehlte, waren dramatisch in ihrer Fähigkeit beeinträchtigt, die pflanzlichen Abwehrstoffe zu tolerieren. „Es war jedoch überraschend, das diese Mutanten den allgemeinen Entgiftungsmechanismus der Glutathion-Bindung hochfuhren, auch wenn dies den Verlust der Isothiocyanat-Hydrolyse nicht vollständig ausgleichen konnte“, sagt Jingyuan Chen. Die Glutathion-Bindung kann die Isothiocyanate nicht annähernd so wirkungsvoll entgiften, wie die Hydrolyse. Außerdem scheint sie für den Pilz kostenintensiver zu sein. Dennoch ist diese allgemeine Entgiftungsstrategie immer aktiv, hilft sie dem Pilz doch dabei, viele andere Abwehrstoffe zu entgiften. „Möglicherweise schützt der allgemeine Entgiftungsmechanismus den Pilz am Anfang, während die speziell gegen die Isothiocyanate gerichtete Strategie erst dann aktiviert wird, wenn der Erreger erstmals diesen Giftstoffen ausgesetzt ist“, sagt Daniel Vassão.
In weiteren Experimenten möchten die Forscher nun testen, ob auch andere Schadpilze an Kreuzblütengewächsen Isothiocyanate über den gleichen Mechanismus entgiften, ob auch nicht verwandte Pilzarten in der Lage sind, diese Gifte abzubauen und wie sie dies bewerkstelligen. „Dann werden wir wissen, ob sich diese weit verbreitete Entgiftungsstrategie in Pilzen immer wieder neu entwickelt hat, oder ob es sich um ein konserviertes Merkmal handelt, das in vielen Pilzlinien zu finden ist und im Laufe der Evolution erhalten blieb,“ meint Jonathan Gershenzon, Direktor der Abteilung Biochemie, in der die Arbeiten durchgeführt wurden.
Originalveröffentlichung:
Chen, J., Ullah, C., Reichelt, M., Beran, F., Yang, Z.-L., Gershenzon, J., Hammerbacher, A., Vassão, D. G. (2020). The phytopathogenic fungus Sclerotinia sclerotiorum detoxifies plant glucosinolate hydrolysis products via an isothiocyanate hydrolase. Nature Communication 11: 3090, DOI 10.1038/s41467-020-16921-2
https://doi.org/10.1038/s41467-020-16921-2
Weitere Informationen:
Dr. Daniel Giddings Vassão, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena. Tel. +49 3641 57-1333, E-Mail vassao [at] ice.mpg.de
Dr. Almuth Hammerbacher, Department of Zoology and Entomology, Forestry and Agricultural Biotechnology Institute, University of Pretoria, Pretoria, 0028 Südafrika, E-Mail almuth.hammerbacher [at] fabi.up.ac.za
Prof. Dr. Jonathan Gershenzon, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena. Tel. +49 3641 57-1300, E-Mail gershenzon [at] ice.mpg.de
Topics
Species
