Germany
May 6, 2016
Because of their sedentary life, plants have to make the most of their surroundings. To do so, they take advantage of hitherto unknown molecular mechanisms to determine what benefits them and what harms them. They also grant microorganisms access to their roots in exchange for essential nutrients in the soil. The soil fungus Colletotrichum tofieldiae serves the model plant Arabidopsis as such a subtenant when required. The plant accepts the fungus as a phosphate supplier in situations where it has no access to those minerals itself, but rejects the fungus if it is able to tap phosphate supplies on its own. Thus, the plant very accurately weighs the demands of its environment to which it must respond. In the process, the plant’s immune system plays a key role. Stéphane Hacquard, Paul Schulze-Lefert and Richard O'Connell of the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne are addressing the question of what changes are responsible for ensuring that Colletotrichum tofieldiae no longer has to contend with the full brunt of the plant’s immune system under certain conditions. They have found that just a few changes in the genome are sufficient to turn a pathogen into a partner.
Fungi of the genus Colletotrichum are usually pathogens. Colletotrichum tofieldiae must therefore have undergone changes in the course of evolution to make it a potential friend of Arabidopsis. “We wanted to know what molecular adaptations were needed in the fungus and in the plant to enable the two organisms to cooperate, with the plant acting as a host but maintaining control of the symbiotic relationship,” says Stéphane Hacquard of the Cologne-based Max Planck Institute. “Our research therefore boils down to the question of how plants decide what benefits them and what harms them, and how they weigh the various options against each other,” Hacquard adds.
To this end, the scientists compared the genomes of several strains of the beneficial species Colletotrichum tofieldiae collected on various continents with the genomes of its harmful cousin Colletotrichum incanum. They also investigated which genes the two fungi switch on when they gain access to a root, namely under conditions of sufficient and insufficient soluble phosphate in the soil.
The genetic comparison showed that the last common ancestor of the two species of fungi lived around eight million years ago and had a pathogenic lifestyle. The beneficial adaptations must therefore have occurred later in the evolutionary process. By drawing comparisons with other beneficial species of fungi, the scientists were also able to show that there are no universal genetic building blocks for the symbiotic coexistence of fungi and plants. “There is no standard set of genes that can ensure that a root fungus will be tolerated by its host plants," says Hacquard. "So this symbiotic relationship must have emerged several times independently in the course of evolution.”
The Cologne-based scientists also showed that acceptance of the beneficial fungus is not associated with a radical change in its genome. The beneficial and pathogenic species have amazingly similar genomes. “The change from pathogen to beneficial lodger is therefore based on relatively few genetic changes,” Hacquard says. “Of just under 13,000 genes, 11,300 are identical. During the eight million years since the two species diverged, the beneficial fungus has gained 1,009 genes and lost 198.”
Particularly striking is the change in the number of effector genes. Effectors are proteins that enable microorganisms to suppress or switch off the immune system of plants. The beneficial fungus has only 133 effector genes, while its harmful relative has fifty percent more. Hacquard and his colleagues were also able to show that the effector genes of the beneficial fungus are hardly read during root colonization. Evidently, there is no need for the proteins they code for. Hence, the mutually beneficial cooperation makes do with almost no effector proteins.
The scientists in Cologne also discovered that the beneficial fungus either does not read the genes it has inherited through its pathogenic phylogeny or reads them very late. “We conclude that the symbiotic relationship is due to the fact that the genes originally responsible for the pathogenesis of the fungus remain switched off and do not come into play,” Hacquard says.
The scientists have also looked at how Arabidopsis responds to the two fungi. They showed that the plant’s response depends on the amount of soluble phosphate in the soil. If sufficient phosphate is available, the plant activates its immune system to bar the beneficial fungus from its roots because it does not need it. However, when faced with a growth-restricting lack of phosphate in the soil, it suppresses its immune response to the beneficial fungus. However, the harmful fungus is exposed to the full brunt of the plant’s immune system under all conditions, because it has nothing to offer Arabidopsis.
In a nutrient-deficient environment, the plant’s immune response is therefore only dampened when, in return, the beneficial fungus collects phosphate from the soil and supplies it to the root for plant growth. The researchers now plan to investigate how the immune system and nutrition are linked in plants.
Wenn aus Feinden Freunde werden - Wenige Veränderungen im Erbgut machen aus einem pflanzenschädlichen Pilz einen potenziellen Nützling
Pflanzen sind wegen ihrer sesshaften Lebensweise darauf angewiesen, das Beste aus ihrer Umgebung zu machen. Dabei wägen sie über bislang unbekannte molekulare Mechanismen ab, was ihnen dient und was ihnen schadet. Sie gewähren auch Mikroorganismen Zutritt zu ihren Wurzeln, wenn sie dadurch Zugriff auf essentielle Bodennährstoffe erhalten. Für die Modellpflanze Arabidopsis ist der Bodenpilz Colletotrichum tofieldiae ein solcher Untermieter auf Abruf. Die Pflanze akzeptiert den Pilz als Phosphat-Lieferanten, wenn sie selbst keinen Zugriff auf diesen Mineralstoff hat. Sie weist ihn zurück, wenn sie sich alleine mit Phosphat versorgen kann. Die Pflanze gewichtet also die Anforderungen, die der Standort an sie heranträgt und auf die sie reagieren muss, sehr genau. Dabei spielt das pflanzliche Immunsystem eine bedeutende Rolle. Stéphane Hacquard, Paul Schulze-Lefert und Richard O’Connell vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln sind der Frage nachgegangen, welche Veränderungen dafür verantwortlich sind, dass Colletotrichum tofieldiae unter bestimmten Bedingungen nicht mehr die volle Wucht des pflanzlichen Immunsystems zu spüren bekommt. Demnach reichen nur wenige Änderungen im Erbgut aus, um aus einem Krankheitserreger einen Partner zu machen.
Pilze der Gattung Colletotrichum sind eigentlich Krankheitserreger. Colletotrichum tofieldiae muss daher im Laufe der Evolution Veränderungen durchgemacht haben, die ihn zum potenziellen Freund von Arabidopsis gemacht haben. „Wir wollten wissen, welche molekularen Anpassungen auf der Seite des Pilzes und auf der Seite der Pflanze nötig waren, damit beide Partner kooperieren können, die Pflanze als Wirt aber die Kontrolle über das Miteinander behält“, sagt Stéphane Hacquard vom Kölner Max-Planck-Institut. „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 Hacquard weiter.
Die Wissenschaftler haben dafür 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.
Durch den Erbgutvergleich zeigte sich, dass der letzte gemeinsame Vorfahre beider Pilzarten vor ungefähr acht Millionen Jahren gelebt und eine pathogene Lebensweise gehabt hatte. Die nützlichen Anpassungen müssen also erst später in der Evolution hinzugekommen sein. Die Wissenschaftler konnten durch den Vergleich mit anderen nützlichen Pilzarten auch zeigen, dass es keinen universellen Gen-Baukasten für das gedeihliche Miteinander von Pilzen und Pflanzen gibt. „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.“
Die Kölner Wissenschaftler zeigen weiter, dass die Akzeptanz des nützlichen Pilzes nicht an eine radikale Veränderung seines Erbgutes gebunden ist. Die nützliche und die schädliche Art besitzen verblüffend ähnliche Genausstattungen. „Der Wechsel vom Krankheitserreger zum brauchbaren Untermieter basiert also auf verhältnismäßig wenigen genetischen Änderungen“, sagt Hacquard. „Von knapp 13000 vorhandenen Genen sind 11300 identisch. In den acht Millionen Jahren, seit dem sich die beiden Arten auseinander entwickelt haben, hat der nützliche Pilz 1009 Gene hinzugewonnen und 198 Gene verloren.“
Besonders auffällig ist die Änderung bei der Zahl der Effektor-Gene. Effektoren sind Proteine, mit denen Mikroorganismen versuchen, das Immunsystem der Pflanzen zu unterlaufen und auszuschalten. Der nützliche Pilz hat nur 133 Effektor-Gene, sein schädlicher Verwandter hat fünfzig Prozent mehr. Hacquard und seine Kollegen konnten des Weiteren zeigen, dass die Effektor-Gene des nützlichen Pilzes bei der Besiedlung der Wurzel fast gar nicht abgelesen werden. Offensichtlich besteht kein Bedarf für die korrespondierenden Proteine. Das nützliche Miteinander kommt also fast ohne Effektor-Proteine zustande.
Die Kölner Wissenschaftler entdeckten auch, dass der nützliche Pilz die Gene, die er noch aus seiner pathogenen Stammesgeschichte besitzt, entweder gar nicht abliest oder erst sehr spät. „Wir schließen daraus, dass das gedeihliche Miteinander darauf beruht, dass die ursprünglich für die Pathogenese verantwortlichen Gene des Pilzes abgeschaltet bleiben und erst gar nicht zum Zuge kommen“, sagt Hacquard.
Die Wissenschaftler haben sich auch angeschaut, wie Arabidopsis auf die beiden Pilze reagiert. Sie konnten dabei dokumentieren, dass die Pflanze ihre Antwort von der Menge an löslichem Phosphat im Boden abhängig macht. Ist genügend Phosphat vorhanden, aktiviert die Pflanze ihr Immunsystem und bremst den nützlichen Pilz in der Wurzel aus, weil sie ihn nicht braucht. Ist sie mit einem Mangel an Phosphat im Boden konfrontiert, der ihr Wachstum einschränkt, drosselt sie ihre Immunantwort gegen den nützlichen Pilz. Der schädliche Pilz ist unter allen Bedingungen der geballten Wucht ihres Immunsystems ausgesetzt ist, weil er Arabidopsis nichts zu bieten hat.
Die pflanzliche Immunantwort wird also unter Nährstoffmangel nur dann gedämpft, wenn der nützliche Pilz im Gegenzug Phosphat aus dem Boden einsammelt und dies in der Wurzel für das Pflanzenwachstum zur Verfügung stellt. Wie Immunsystem und Ernährung bei Pflanzen genau miteinander verknüpft sind, wollen die Wissenschaftler als nächstes untersuchen.
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