Germany
December 9, 2010
Pilze sind bedeutende Pflanzenschädlinge, die weltweit für immense Ertragsverluste an Kulturpflanzen wie Mais und anderen Getreidesorten verantwortlich sind. Regine Kahmann vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg und Jan Schirawski, inzwischen an der Universität Göttingen, haben zusammen mit Wissenschaftlern des Helmholtz Zentrums in München das Erbgut von Sporisorium reilianum analysiert, eines wichtigen Mais-Schädlings. Durch einen Vergleich mit dem Genom einer verwandten Pilzart haben sie neue Gene identifiziert, die für den Befall von Mais wichtig sind. (Science, 10. Dezember 2010)
Ähnlich, aber doch verschieden: die Symptome von zwei eng verwandten Brandpilzen an Zwerg-Maiskolben. Links: gesunder Maiskolben, Mitte: mit Ustilago maydis infizierter Maiskolben, rechts: mit Sporisorium reilianum infizierter Maiskolben
Bild: Jan Schirawski
Die Brandpilze Ustilago maydis und Sporisorium reilianum sind Parasiten von Maispflanzen. Ustilago maydis verursacht die so genannte Mais-Beulenbrandkrankheit. Dabei bilden sich große tumorartige Strukturen an Blättern, Kolben und männlicher Blüte, in denen sich der Pilz vermehrt und Sporen produziert. Auch Sporisorium reilianum befällt Maispflanzen, bewirkt aber eine Infektion der gesamten Pflanze, bei der sich die Symptome nur in den männlichen und weiblichen Blüten zeigen. Diese Krankheit wird deshalb auch als Maiskopfbrand bezeichnet.
Wie diese Schädlinge Pflanzen befallen können, ist bislang kaum bekannt. Vor vier Jahren war es unter Federführung der Marburger Gruppe gelungen, die Genomsequenz von Ustilago maydis zu entschlüsseln. Damals hatten sie gezeigt, dass die Gene einer großen Zahl gänzlich neuartiger, vom Pilz ausgeschütteter Proteine auf den Chromosomen in Gruppen angeordnet sind, so genannten Genclustern. Diese Proteine steuern die Kolonisierung der Wirtspflanze.
Ähnlich und doch verschieden
Zunächst konnten die Forscher die Proteine nur in Ustilago maydis nachweisen. "Wir konnten uns jedoch nicht vorstellen, dass diese für den Befall so wichtigen Proteine nur im Genom eines einzigen Brandpilzes vorkommen. Deshalb haben wir auch die Genomsequenz von Sporisorium reilianum ermittelt", sagt Regine Kahmann vom Marburger Max-Planck-Institut. Tatsächlich kommen mehr als 90 Prozent der ausgeschütteten Proteine aus Ustilago maydis auch in Sporisorium reilianum vor. Allerdings unterscheiden sich viele dieser Proteine stark zwischen den beiden Arten und sind daher auf Gen-Ebene nur schwer nachzuweisen. "Überraschenderweise sind jedoch nahezu alle Gene der beiden Organismen in der gleichen Reihenfolge angeordnet. Daher konnten wir die zwei Genome wie Blaupausen übereinanderlegen und auf diese Weise die Unterschiede sichtbar machen", sagt Kahmann.
Dabei entdeckten die Wissenschaftler 43 so genannte Divergenzregionen, in denen die Gene der Pilze besonders unterschiedlich waren. Darunter befanden sich alle bereits vor vier Jahren identifizierten Gencluster, deren Gene eine wichtige Rolle bei der Infektion der Wirtspflanzen spielen. Darüber hinaus beeinflussen vier von sechs zufällig ausgewählten Divergenzbereichen die Infektionsstärke von Ustilago maydis. Allerdings enthalten die Divergenzregionen nicht immer Gene für ausgeschüttete Proteine. In einer Region kamen ausschließlich Gene für Proteine vor, die vom Pilz nicht nach außen abgegeben werden. "Dies deutet darauf hin, dass noch weitere, bislang unentdeckte Moleküle das Verhältnis zwischen Pilz und Pflanze steuern", vermutet Jan Schirawski.
Evolutionärer Wettlauf zwischen Mais und Pilz
Es unterscheiden sich also gerade die Gene zwischen den beiden Pilzen, die für den Befall der Maispflanzen wichtig sind. Vermutlich hatte die unterschiedliche Lebensweise von Ustilago maydis und Sporisorium reilianum zur Folge, dass die Pilze im Laufe der Evolution jeweils artspezifische Genvarianten gebildet haben, z. B. um die pflanzliche Immunantwort zu unterdrücken. Die Maispflanzen wiederum haben die Zielmoleküle der Pilzproteine verändert. Für jedes von den Pilzen ausgeschüttete Protein bilden Maispflanzen offenbar mindestens ein Protein zur Abwehr. "Wir sehen hier die Spuren eines sehr langen Kampfes zwischen verteidigender Pflanze und angreifenden Parasiten. Denn die Vielfalt an Angriffs- und Verteidigungswaffen sind das Ergebnis eines Rüstungswettlaufs zwischen Pflanze und Pilz. Jede Veränderung auf der einen Seite, wurde durch eine Anpassung der anderen Seite gekontert", sagt Schirawski. Die Marburger Forscher hoffen, dass sich auf der Basis der über ihre Verschiedenheit entdeckten Moleküle langfristig neue Strategien zur Bekämpfung dieser wichtigen Pilzgruppe entwickeln lassen.
Verwandte Links:
[1] Ein Pilz mit vielen Strategien
[2] Mit den subtilen Waffen eines Pilzes
Originalveröffentlichung:
Jan Schirawski, Gertrud Mannhaupt, Karin Münch, Thomas Brefort, Kerstin Schipper, Gunther Doehlemann, Maurizio Di Stasio, Nicole Rössel, Artemio Mendoza-Mendoza, Doris Pester, Olaf Müller, Britta Winterberg, Elmar Meyer, Hassan Ghareeb, Theresa Wollenberg, Martin Münsterkötter, Philip Wong, Mathias Walter, Eva Stukenbrock, Ulrich Güldener and Regine Kahmann
Pathogenicity determinants in smut fungi revealed by genome comparison
Science, 10. Dezember 2010
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Evolutionary arms race between smut fungi and maize plants - Max Planck scientists decode maize parasite genome
Fungi are a major cause of plant diseases and are responsible for large-scale harvest failure in crops like maize and other cereals all over the world. Together with scientists from the Helmholtz Zentrum in Munich, Regine Kahmann, from the Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology in Marburg, and Jan Schirawski, who is now based at the University of Göttingen, analysed the genetic make-up of Sporisorium reilianum, an important maize parasite. Based on a comparison with the genome of a related fungal species, they succeeded in identifying new genes that play an important role in maize infestation. (Science, December 10, 2010)
The smut fungi Ustilago maydis and Sporisorium reilianum are parasites that attack maize plants. Ustilago maydis causes a disease known as boil smut or common smut, which is characterized by large tumour-like structures on the leaves, cobs and male flowers in which the fungus proliferates and produces spores. Sporisorium reilianum also attacks maize plants; however, it infects the entire plant and its symptoms become manifested only in the male and female flowers. For this reason, it is also referred to as maize head smut.
Little has been known up to now as to how these pathogens cause disease. Four years ago, a team of scientists headed by the Marburg group succeeded in decoding the genome sequence of Ustilago maydis. They demonstrated that the genes, for a large number of completely new proteins secreted by the fungus, are arranged in groups on the chromosomes in so-called gene clusters. These proteins control the colonisation of the host plant.
Similar and yet different
The researchers were initially only able to demonstrate the presence of these proteins in Ustilago maydis. "However, we found it hard to imagine that these proteins, which play such a crucial role in maize infestation, should only be present in the genome of a single smut fungus. For this reason, we also sequenced the genome of Sporisorium reilianum," explains Regine Kahmann from the Max Planck Institute in Marburg. Over 90 percent of the proteins secreted by Ustilago maydis also exist in Sporisorium reilianum. However, many of these proteins differ significantly between the two species and are therefore difficult to detect at the gene level. "Surprisingly, however, almost all of the genes of the two organisms are arranged in the same order. As a result, we were able to superimpose the two genomes like blueprints and display the differences in this way," says Kahmann.
The scientists discovered 43 so-called divergence regions, in which the differences in the two sets of genes are particularly significant. These included all of the gene clusters identified four years ago, whose genes play an important role in the infection of the host plant. In addition to this, four out of six randomly selected divergence regions influence the strength of Ustilago maydis infection, and surprisingly, one of these does not contain genes for secreted proteins. "This shows that additional, thus far undiscovered molecules control the relationship between the fungus and the plant," comments Jan Schirawski.
Evolutionary struggle between maize and fungus
Therefore, the genes that differ most strongly between the two fungi are in all likelihood those that play an important role in the infestation of the maize plant. The different life styles of Ustilago maydis and Sporisorium reilianum presumably resulted in the development of species-specific gene variants in these fungi over the course of evolution, e. g. to suppress the plant’s immune response. The maize plants, in turn, modified the target molecules of these fungal proteins. Maize plants apparently form at least one protein to counteract each of the proteins released by the fungi. "What we see here are the signs of an ongoing struggle between the defending plant and attacking parasite. The variety of the weapons of attack and defence used is the product of an arms race between the plant and the fungus. Each modification on one side is countered by an adaptation on the other," explains Schirawski. With the help of the molecules they discovered on the basis of the differences between the two fungi, the Marburg-based researchers have the long term hope that it will be possible to develop new strategies for disease control of these and related plant parasites.
Related links:
[1] Wielding the subtle weapons of a fungus
Original work:
Jan Schirawski, Gertrud Mannhaupt, Karin Münch, Thomas Brefort, Kerstin Schipper, Gunther Doehlemann, Maurizio Di Stasio, Nicole Rössel, Artemio Mendoza-Mendoza, Doris Pester, Olaf Müller, Britta Winterberg, Elmar Meyer, Hassan Ghareeb, Theresa Wollenberg, Martin Münsterkötter, Philip Wong, Mathias Walter, Eva Stukenbrock, Ulrich Güldener and Regine Kahmann
Pathogenicity determinants in smut fungi revealed by genome comparison
Science, December 10, 2010
ISSN 0170-4656
PDF (187 KB)
Topics
Species
