Würzburg, Germany
October 27, 2016
The pictures show a plant root, which is populated by the fungus Piriformospora indica. The green colour reveals where the protein FBG1 is located. (Pictures: Stephan Wawra)
Die Bilder zeigen eine Pflanzenwurzel, die vom Pilz Piriformospora indica besiedelt ist. Die grüne Färbung deckt auf, an welchen Stellen sich das Protein FBG1 befindet. (Bild: Stephan Wawra)
A newly discovered protein from a fungus is able to suppress the innate immune system of plants. This has been reported by research teams from Cologne and Würzburg in the journal "Nature Communications".
The fungus Piriformospora indica colonizes the roots of different plants. This can be orchids, tobacco, barley or even moss. It penetrates into the roots, but does not damage the plants. On the contrary, it can even promote the growth of its plant partners. Such and other interactions between the fungus and its partners are already known to the scientific community.
Research groups from Cologne and Würzburg are now reporting a new facet of the fungus-plant relationship in "Nature Communications": The researchers identified a protein with which the fungus suppresses the immune defence of the populated plants. So it makes sure that it is not attacked like disease-inducing fungi and the relationship can succeed in the long run.
The protein "Fungal Glucan Binding 1" (FGB1) causes, inter alia, the plant not to produce an "oxidative burst". This usually generates aggressive oxygen radicals, which destroy potential pathogens and activate the immune system of the plant.
Protein makes the plant blind to fungus structures
How does the protein lame the immune response of the plant? "It binds highly affine and very specific to sugar molecules that sit in the cell wall of the fungi and which are normally recognized as 'foreign' by the plant," explains Professor of Molecular Biology Alga Zuccaro from the University of Cologne. FGB1 acts like a camouflage coat and conceals the foreign sugar molecules from the immune system.
The relevant sugar molecules are beta-1,3 / 1,6-glucans, according to Jürgen Seibel, a professor of Organic Chemistry at the Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. The fact that fungal glucans have a positive effect on human immune systems has been known for a long time. It is less known that they can also stimulate the immune system of plants.
The fact that the immune defence is suppressed by FGB1 in the case of Piriformospora indica, Zuccaro and Seibel can now demonstrate by combining the know-how of their working groups. The Cologne molecular biologist is an expert on root-colonizing fungi and the plant immune system, the Würzburg chemist is a specialist for sugar molecules and their functions in cells and organisms.
Perspective for medical diagnostics
The new findings may be useful in medicine and plant breeding. Given that the newly discovered protein FGB1 has such a high affinity and specificity to beta-1,6-glucans from fungi cell walls, it is possibly suitable for the diagnosis of human infections. In addition, the new knowledge could contribute to the cultivation of plants with increased disease resistance in the long term.
The next step is to examine how the plants recognize the beta-1,3 / 1,6-glucans and how exactly FGB1 suppresses them.
The fungal-specific ß-glucan-binding lectin FGB1 alters cell-wall composition and suppresses glucan-triggered immunity in plants. Stephan Wawra, Philipp Fesel, Heidi Widmer, Malte Timm, Jürgen Seibel, Lisa Leson, Leona Kesseler, Robin Nostadt, Magdalena Hilbert, Gregor Langen & Alga Zuccaro, Nature Communications, 27. October 2016, DOI:10.1038/ncomms13188
Wie ein Pilz das Immunsystem von Pflanzen hemmt
Ein neu entdecktes Protein aus einem Pilz ist dazu in der Lage, das angeborene Immunsystem von Pflanzen zu unterdrücken. Das berichten Forschungsteams aus Köln und Würzburg im Fachblatt „Nature Communications“.
Der Pilz Piriformospora indica besiedelt die Wurzeln unterschiedlichster Pflanzen. Das können Orchideen, Tabak, Gerste oder sogar Moose sein. Dabei dringt er zwar in die Wurzeln ein, schädigt die Pflanzen damit aber nicht. Ganz im Gegenteil: Er kann das Wachstum seiner Pflanzenpartner sogar fördern. Solche und andere Wechselwirkungen, die zwischen dem Pilz und seinen Partnern ablaufen, sind der Wissenschaft bereits bekannt.
Über eine neue Facette der Pilz-Pflanze-Beziehung berichten jetzt Forschungsgruppen aus Köln und Würzburg in „Nature Communications“: Die Forscher identifizierten ein Protein, mit dem der Pilz die Immunabwehr der besiedelten Pflanzen unterdrückt. So sorgt er dafür, dass er nicht wie krankheitserregende Pilze attackiert wird und die Beziehung auf Dauer gelingen kann.
Das Protein „Fungal Glucan Binding 1“ (FGB1) bewirkt unter anderem, dass in der Pflanze der „oxidative burst“ unterbleibt. Dabei werden normalerweise aggressive Sauerstoffradikale erzeugt, die potenzielle Krankheitserreger zerstören und das Immunsystem der Pflanze aktivieren.
Protein macht die Pflanze blind für Pilzstrukturen
Wie legt das Protein die Immunabwehr der Pflanze lahm? „Es bindet sich hoch affin und sehr spezifisch an Zuckermoleküle, die in der Zellwand der Pilze sitzen und von der Pflanze normalerweise als ‚fremd‘ erkannt werden“, erklärt Molekularbiologie-Professorin Alga Zuccaro von der Universität zu Köln. FGB1 wirkt wie ein Tarnmantel und verbirgt die fremden Zuckermoleküle vor dem Immunsystem.
Bei den fraglichen Zuckermolekülen handle es sich um beta-1,3/1,6-Glucane, so Chemieprofessor Jürgen Seibel von der Universität Würzburg. Dass Pilz-Glucane das Immunsystem des Menschen in Schwung bringen, ist schon seit Längerem bekannt. Weniger bekannt ist, dass sie auch das Immunsystem der Pflanzen stimulieren können.
Dass aber im Fall von Piriformospora indica die Immunabwehr durch FGB1 unterdrückt wird, das konnten Zuccaro und Seibel nun durch die Kombination des Know-hows ihrer Arbeitsgruppen zeigen. Die Kölner Molekularbiologin ist Expertin für wurzelbesiedelnde Pilze und das pflanzliche Immunsystem, der Würzburger Chemiker ist Fachmann für Zuckermoleküle und deren Funktionen in Zellen und Organismen.
Perspektive für die medizinische Diagnostik
Die neuen Erkenntnisse lassen sich vielleicht in der Medizin und der Pflanzenzüchtung nutzen. Weil das neu entdeckte Protein FGB1 eine so hohe Affinität und Spezifität zu beta-1,6-Glucanen aus Pilzzellwänden hat, eignet es sich womöglich für die Diagnostik von Pilzinfektionen beim Menschen. Außerdem könnte das neue Wissen langfristig zur Züchtung von Pflanzen mit erhöhter Krankheitsresistenz beitragen.
Als nächstes soll untersucht werden, wie die Pflanzen die beta-1,3/1,6-Glucane erkennen und wie genau FGB1 dies unterdrückt.
The fungal-specific ß-glucan-binding lectin FGB1 alters cell-wall composition and suppresses glucan-triggered immunity in plants. Stephan Wawra, Philipp Fesel, Heidi Widmer, Malte Timm, Jürgen Seibel, Lisa Leson, Leona Kesseler, Robin Nostadt, Magdalena Hilbert, Gregor Langen & Alga Zuccaro, Nature Communications, 27.10.2016, DOI:10.1038/ncomms13188
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