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Team von Pflanzenforscher*innen entschlüsselt zentralen Wirkmechanismus von Pilzen / Erkenntnisse sind bedeutsam für Krankheitsbekämpfung, Pflanzenschutz und Ernährungssicherheit sowie für die Medizin / Veröffentlichung in "Science Advances"
Ein internationales Forschungsteam um den Kölner Pflanzenwissenschaftler Professor Dr. Bart Thomma vom Institut für Pflanzenwissenschaften, dem Sonderforschungsbereich MiBiNet und dem Exzellenzcluster für Pflanzenwissenschaften CEPLAS, hat den überraschenden evolutionären Ursprung pilzlicher „Effektorproteine“ entdeckt: Moleküle, die Krankheitserreger heute zur Infektion ihrer Wirte nutzen, scheinen sich aus uralten antimikrobiellen Proteinen entwickelt zu haben. Die Studie des Forschungsteams kann dazu beitragen, das Entstehen von Krankheiten besser zu verstehen. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse darüber, wie Pilze während einer Infektion sowohl das Immunsystem des Wirts als auch das umgebende Mikrobiom angreifen und deuten darauf hin, dass diese Strategie weit über Pflanzenpathogene hinausgehen könnte. Die Studie wurde gerade unter dem Titel „Plant-associated fungi co-opt ancient antimicrobials for host manipulation“ in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.
Mikrobiome von Pflanzen und anderen Organismen umfassen neben schädlichen Pilzen, Bakterien und Viren auch viele nützliche Mikroorganismen, die dazu beitragen, Krankheiten abzuwehren. So scheiden Pflanzen bestimmte Stoffwechselprodukte aus, um Krankheitserreger fernzuhalten und nützliche Mikroben zur Unterstützung zu aktivieren. Mikroorganismen, die eine Pflanze als Wirt besiedeln wollen, müssen die Abwehrkräfte dieses Mikrobioms überwinden.
„Wir wissen bereits, dass hierbei ‚Effektoren‘ eine wichtige Rolle spielen. Dies sind Moleküle, oftmals Proteine, die von den Pilzen ausgesondert werden, um zunächst das Immunsystem der Wirtspflanze zu schwächen. Zu unserer Überraschung haben wir festgestellt, dass ziemlich viele Effektoren darüber hinaus eine antimikrobielle Wirkung haben und das Mikrobiom des Wirts angreifen“, erläutert der Leiter der Studie Bart Thomma. In ihrer Studie zeigen die Wissenschaftler*innen am Beispiel des Verticillium dahliae-Effektor Vd424Y, wie der Effektor während der Infektion das Mikrobiom der Pflanze beeinflusst und die Wirtsimmunität manipuliert.
Erstautor Dr. Fantin Mesny hat herausgefunden, dass grob geschätzt bis die Hälfte aller Proteine, die ein Pilz ausscheidet, antimikrobiell wirken, also Mikroorganismen stören oder abtöten können. Jeder Pilz scheidet vermutlich Hunderte von antimikrobiellen Proteinen aus, die in der Forschung bisher noch nicht als antimikrobiell bekannt waren.
Den Wissenschaftler*innen fiel zudem auf, dass viele der Effektoren, die pathogene Pilze nutzen, um als Schädlinge das Immunsystem der Wirtspflanze zu unterdrücken, in Pilzen sehr häufig vorkommen, und dass sie sogar strukturelle Übereinstimmungen zu Effektoren in nicht-pathogenen Pilzen aufweisen. „Wir schließen daraus, dass Pilze diese antimikrobiellen Proteine nicht in erster Linie besitzen, um Krankheiten auszulösen, sondern um im Wettbewerb mit anderen Mikroorganismen eingesetzt werden zu können“, so Thomma.
Evolutionsgeschichtlich gesehen waren Vorläufer der heutigen schädlichen Pilze noch nicht pathogen. Sie entwickelten aber antimikrobielle Proteine, um mit anderen Mikroorganismen in ihrer Umgebung konkurrieren und sich beispielsweise gegen Bakterien verteidigen zu können. Im Laufe der Evolution entstanden Pflanzen und andere Organismen, die von Pilzen besiedelt wurden. Die damaligen Pilze nutzten ihre antimikrobiellen Proteine, um sich bei der Besiedelung gegenüber anderen Mikroorganismen durchzusetzen. Schließlich kam es evolutionär zu Veränderungen in den antimikrobiellen Proteinen, wodurch sie weitere Funktionen erhielten, beispielsweise die Unterdrückung des Immunsystems des Wirts. So konnte das Team zeigen, dass das uralte antimikrobielle Effektorprotein Vd424Y des Pflanzenpathogens Verticillium dahliae während der Infektion die Zusammensetzung der pflanzlichen Mikrobiota verändert und dadurch zur Krankheitsentwicklung beiträgt. Zudem hat dieser Effektor durch Mutationen die Fähigkeit erworben, in Wirtszellen einzudringen, den Zellkern zu erreichen und dort pflanzliche Immunreaktionen sowie andere zelluläre Prozesse direkt zu beeinflussen. Letztlich übernimmt dieser Effektor somit eine doppelte Funktion: Er manipuliert den Wirt und verschafft sich zugleich Vorteile im Wettbewerb mit anderen Mikroorganismen – der Wirt fällt dem Pilz zum Opfer.
„Wir verstehen jetzt nicht nur besser, wie Pilze Pflanzenkrankheiten auslösen, sondern auch, wie sich die Waffen der Pilze entwickelt haben und woher sie stammen. Mikrobielle Konkurrenz ist demnach nicht nur ein Nebeneffekt, sondern eine grundlegende Funktion von Effektorproteinen, die wahrscheinlich bereits existierte, bevor sich pathogene Wechselwirkungen mit Wirten entwickelten.“, sagt Thomma.
Die Forschenden vermuten zudem, dass dieses Prinzip nicht auf pflanzenassoziierte Pilze beschränkt ist. „Da antimikrobielle Aktivität tief in der Evolution der Pilze verwurzelt ist, könnten ähnliche Mechanismen auch erklären, wie Pilze Tiere und Menschen infizieren – wo Wechselwirkungen mit der wirtsassoziierten Mikrobiota und dem Immunsystem ebenfalls entscheidend sind“, sagt Thomma.
Über die grundlegenden Erkenntnisse hinaus könnten die Ergebnisse auch praktische Bedeutung haben. Ein besseres Verständnis dafür, wie Krankheitserreger die wirtsassoziierte Mikrobiota beeinflussen, könnte neue Strategien zur Krankheitsbekämpfung in der Landwirtschaft ermöglichen und zugleich Ansätze für den Umgang mit Pilzinfektionen in der Medizin liefern. Zudem könnten die umfangreichen Kataloge antimikrobieller Substanzen, die von Pilzen produziert werden, gezielt nach neuartigen Wirkstoffen durchsucht werden, aus denen sich künftig neue Antibiotika entwickeln lassen.
Presse und Kommunikation:
Mathias Martin
+49 221 470 1705
m.martin@verw.uni-koeln.de
Verantwortlich: Dr. Elisabeth Hoffmann – e.hoffmann@verw.uni-koeln.de
Professor Dr. Bart Thomma
Institut für Pflanzenwissenschaften
+49 221 470 89261
bthomma@uni-koeln.de
„Plant-associated fungi co-opt ancient antimicrobials for host manipulation“, in „Science Advances“,
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec1406
https://ag-thomma.botanik.uni-koeln.de/
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students, Teachers and pupils, all interested persons
Biology, Nutrition / healthcare / nursing, Zoology / agricultural and forest sciences
transregional, national
Research projects, Scientific Publications
German
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