Der Brandpilzflüsterer

Brandpilze sind faszinierende Organismen: Sie sind sehr einfach gebaut, aber zu unglaublich komplexen Handlungen fähig. Als weltweit verbreitete eukaryotische Einzeller besitzen sie ein Sexualleben, können ihre Morphologie und ihr Wachstumsverhalten in Abhängigkeit der Umgebung komplett ändern und beuten zur größtmöglichen Vermehrung Pflanzen aus, die nach Befall mit Brandpilzen ihre Ressourcen zur Produktion der Pilzsporen bereitstellen. Brandpilze sind molekular zugänglich und bieten daher die Chance, unterschiedliche Aspekte der Biologie der Eukaryoten im molekularen Detail zu verstehen. Der Kopfbrandpilz Sporisorium reilianum befällt zum Beispiel nur Mais und Hirse. Dabei können die Stämme, die Mais befallen, keine Hirse krankmachen und umgekehrt. Der molekulare Grund für diese Wirtsspezifität ist derzeit unbekannt, was wir durch unsere Forschung gerne ändern möchten.

Das Tückische an einer Infektion mit dem Kopfbrandpilz ist, dass die Infektion bereits im Sämlingsstadium der Wirtspflanze stattfindet, sichtbare Symptome aber erst zum Erntezeitpunkt auftreten: zu spät, um die Ernte retten zu können. Faszinierenderweise lebt der Pilz für nahezu das gesamte Pflanzenleben innerhalb der Pflanze, ohne von den zahlreichen und wirksamen Abwehrmechanismen der Pflanze beseitigt zu werden. Unsere Forschungen deuten darauf hin, dass der Pilz spezielle Proteine produziert, die in das Pflanzengewebe übergehen und dazu dienen, die Abwehrmechanismen der Pflanze außer Gefecht zu setzen. Solche Proteine müssen auf die Interaktion mit den speziellen Pflanzenproteinen optimiert sein. Um diese wirtsangepassten Pilzproteine zu entdecken, vergleichen wir die Genome nahe verwandter Brandpilze und suchen nach Genen, die signifikant weniger gut konserviert sind.

Aus Sicht des Genetikers ist das seine Fähigkeit zur sexuellen Fortpflanzung. Die Paarung ist gleichzeitig eine essenzielle Voraussetzung für die Pflanzeninfektion, denn der Pilz kolonisiert die Pflanze als dikaryotisches Filament. Kurz vor der Sporenbildung verschmelzen die beiden Zellkerne. Wenn die Sporen nun auskeimen, kommt es zur Meiose, wobei die Genome der Elternzellen in den Nachkommen zufällig gemischt werden. Diese Eigenschaft nutzt meine Arbeitsgruppe in Jena, um die genetischen Grundlagen der Wirts- und Symptomspezifität des Pilzes zu entschlüsseln.

Die Wirtspflanze hat effiziente Abwehrmechanismen gegen den Befall durch Mikroorganismen. Wenn der Brandpilz Sporisorium reilianum seine Wirtspflanze kolonisiert, induziert dies die Abwehrmechanismen der Pflanze. Allerdings fallen die Abwehrreaktionen nur schwach aus, was darauf hindeutet, dass der Pilz die induzierte Pflanzenabwehr gezielt außer Kraft setzen kann. Wir haben im Labor eine Variante des Pilzes erzeugt, der eine von uns identifizierte Genregion fehlt. Diese Variante wird von der Pflanze effektiv abgewehrt. Möglicherweise haben wir hier eine Genregion des Pilzes entdeckt, deren Gene für die Unterdrückung der Pflanzenabwehr gebraucht werden.

Die genauen genetischen Ursachen für die wählerische Art des Erregers sind noch unbekannt. Zur Klärung dieser spannenden Fragen nutzen wir Ansätze der klassischen Genetik, die wir mit modernen Methoden der Genomsequenzierung und der funktionellen Genanalyse verknüpfen. Wir nutzen im Labor die Fähigkeit des Pilzes zu paaren, um Hybride aus Mais- und Hirse-infizierenden Stämmen zu erzeugen, die Nachkommen mit Hybridgenomen der beiden Elternzellen bilden. Wir untersuchen genomische Gemeinsamkeiten der Nachkommen, die die eine Wirtspflanze noch befallen können und identifizieren genomische Unterschiede zu den Nachkommen, die dieselbe Pflanzenart nicht befallen können. Über diesen Ansatz haben wir bereits interessante Kandidatengene identifiziert, deren Einfluss auf die Wirtswahl derzeit untersucht wird.

Wir wollen mit unseren Forschungen vor allem grundlegendes Wissen schaffen, mit dem diese einfachen und dennoch komplexen Organismen besser verstanden werden können. Die Forschungsarbeiten werden – so hoffen wir – nicht nur zum Verständnis der Interaktion von Sporisorium reilianum mit Mais und Hirse führen, sondern auch wichtige Hinweise auf die Mechanismen der Entstehung neuer Pflanzenkrankheiten (durch Wirtswechsel bekannter Pathogene) geben. Zusätzlich werden die Erkenntnisse eine Hilfestellung zum Verständnis der ökonomisch extrem relevanten, mit den Brandpilzen nahe verwandten, aber genetisch nur sehr schwer zugänglichen Rostpilze leisten. Die Aufklärung der Mechanismen, wie der Pilz in die Entwicklung der Pflanze und in die Pflanzenabwehr eingreift, kann zur Entwicklung neuer Strategien führen, mit denen sich die landwirtschaftliche Produktion von Getreide noch weiter steigern lässt. Unsere Forschungen werden also am Ende der Landwirtschaft und damit unser aller Ernährung helfen.

Interview: Beatrix Boldt