Ein Forschungsteam am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie hat eine bislang unbekannte Strategie bestimmter Pilze entdeckt, mit der sie die Abwehrstoffe von Fichten unschädlich machen. Diese Pilze werden von Borkenkäfern in die Bäume eingeschleppt und erleichtern den Käfern so das Eindringen. Die Forschenden konnten zeigen, dass viele dieser Pilze die chemischen Abwehrstoffe der Bäume verstoffwechseln und sich schnell in der Borke ausbreiten können. Zwei von ihnen können die entstandenen ersten Abbauprodukte zudem weiter entschärfen, indem sie das Zuckermolekül Ribose an diese binden. Die so umgewandelten Abwehrstoffe sind nicht nur harmlos, sondern auch stabil und können nicht durch Abspaltung der Ribose in die giftigeren Ausgangssubstanzen zurückverwandelt werden. Der Pilz, der die Fichtenabwehrstoffe am effektivsten durch Anbindung von Ribose neutralisieren konnte, gedieh besonders gut in der Fichtenborke. Die Ergebnisse könnten dabei helfen, neue Wege zur Bekämpfung von Borkenkäferplagen in europäischen Wäldern zu finden, beispielsweise durch gezielte Veränderung der Mikroorganismengemeinschaften in den Bäumen.
Chemisch bestens geschützt, doch nicht unüberwindbar: Wie Pilze und Borkenkäfer in Fichtenrinde eindringen
Fichten verfügen über eine sehr wirksame chemische Abwehr gegen Fressfeinde und Krankheitserreger. Vor allem das Phloem, also das lebende Rindengewebe der Fichte, das für den Transport der in den Nadeln produzierten Nährstoffe zu den Wurzeln verantwortlich ist, gehört zu den chemisch am stärksten geschützten Pflanzengeweben. Es liegt direkt unter der schützenden Borke und umschließt das Holz. Der Gehalt schützenden chemischen Stoffen, insbesondere Phenolverbindungen im Phloemgewebe, kann bis zu fünf Prozent des Trockengewichts der Rinde ausmachen. Dennoch gelingt es zahlreichen Pilzen – von Krankheitserregern bis hin zu Symbionten von Borkenkäfern –, die dieses gut verteidigte Gewebe erfolgreich zu besiedeln. „Wir wollten die biochemischen Tricks verstehen, mit denen diese Pilze eine derart feindliche chemische Umgebung überwinden – insbesondere, weil einige dieser Pilze möglicherweise dazu beitragen, die massiven Borkenkäferplagen anzutreiben, die die europäischen Wälder zerstören,“ sagt Studienleiterin Ruo Sun.
Pilze können Abwehrstoffe von Fichten verstoffwechseln
Das Forschungsteam untersuchte den Stoffwechsel verschiedener Pilze mithilfe molekularbiologischer Untersuchungen und chemischer Analysen. Dazu analysierten sie die Stoffwechselprodukte von Pilzen, die entweder auf echter Fichtenrinde oder auf künstlichen Nährböden wuchsen. Dabei fanden sie heraus, dass bestimmte Pilze neue, bisher unbekannte Verbindungen bilden – allerdings nur, wenn sie den chemischen Stoffen der Fichte ausgesetzt waren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler züchteten große Mengen dieser Pilze, isolierten die Stoffe und nutzten hochpräzise Methoden wie die NMR-Spektroskopie, um deren Struktur genau zu bestimmen. So konnten sie zeigen: Einige Pilze zerlegen die giftigen Abwehrstoffe der Fichte, doch die entstehenden Produkte sind weiterhin gefährlich. Nur zwei Pilzarten gehen einen Schritt weiter: Sie hängen an diese Abbauprodukte eine Ribose, einen einfachen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, an. Dieser Prozess, die sogenannte Ribosylierung, verringert nicht nur die Giftigkeit, sondern verhindert auch, dass die giftigen Stoffe durch den Stoffwechsel eines anderen Organismus reaktiviert werden. Der Pilz mit der stärksten Ribosylierungsfähigkeit wuchs zudem am besten auf Fichtenrinde. Dies deutet darauf hin, dass ihm diese Fähigkeit einen Überlebensvorteil verschafft.
„Eine große Herausforderung bestand darin, festzustellen, dass es sich bei dem Zuckeranteil des Moleküls um Ribose und nicht um Glukose oder einen weiteren Zucker handelte. Die Analysedaten zeigten, dass eine Pentose, also ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, gebunden war. Anhand der Daten konnten die wir jedoch eine Ribose nicht von Xylose oder Arabinose unterscheiden, da diese alle das gleiche Molekulargewicht aufweisen. Erst durch umfangreiche NMR-Analysen konnten wir das Vorhandensein von Ribose und ihre genaue Konfiguration eindeutig bestätigen“, sagt Co-Autorin Baoyu Hu, Doktorandin am Institut.
Bei der Ribosylierung wird der Zuckerbaustein Ribose an bestimmte Moleküle in der Zelle angehängt. Diese kleine Veränderung kann große Auswirkungen haben, etwa bei der Kommunikation zwischen Zellen, der Reparatur von DNA oder der Steuerung des Stoffwechsels. Im Vergleich zu anderen Zuckermodifikationen wie der Glycosylierung ist die Ribosylierung bisher seltener und weniger gut erforscht. „Wir vermuten, dass sie bisher übersehen wurde, da die meisten Forschenden bei der Entgiftung von einer Anlagerung von Glukose ausgingen. Die Identifizierung von Ribose erfordert chemische Analysen einschließlich NMR, um sie von Glukose zu unterscheiden. Ein Vorteil der NMR-Spektroskopie ist, dass sie in der Lage ist, unbekannte Verbindungen zu identifizieren. Aus diesem Grund ist sie ein leistungsstarkes Werkzeug für innovative Forschung“, erläutert Yoko Nakamura, wissenschaftliche Mitarbeiterin der Abteilung Naturstoffbiosynthese, die die NMR-Analysen durchgeführt hat.
Pilz-Konsortien als Schlüssel zur Überwindung der Fichtenabwehr
Nicht alle Pilze können Abwehrstoffe mit Ribose entschärfen. Die Forschenden untersuchten zwölf Pilzarten, die mit Borkenkäfern assoziiert sind – darunter auch solche, die nicht von Käfern übertragen werden. Nur zwei davon, Coprinellus radians und Cylindrobasidium ipidophilum, zeigten diese spezielle Fähigkeit. Das könnte daran liegen, dass die Ribosylierung viel Energie kostet. Der Pilz muss Ribose für die Entgiftung „opfern“ – und das könnte ihm beim Wachstum schaden. Deshalb ist diese Strategie nur bei wenigen Pilzarten zu finden – aber dafür besonders effektiv.
Einen der beiden ribosylierenden Pilze, Cylindrobasidium ipidophilum, kennen die Forschenden bereits seit Langem aus den Gängen von Borkenkäfern. Doch die Rolle dieses Symbionten war bislang unklar. Die Studie zeigt nicht nur, dass er die Abwehrmechanismen der Fichte neutralisieren kann, sondern auch, wie er das bewerkstelligt. Indem er die Abwehrstoffe der Fichte neutralisiert, begünstigt wer auch das Wachstum anderer mit Borkenkäfern assoziierter Pilze. „Wenn diese Pilze jeweils unterschiedliche Teile des Abwehrspektrums der Fichte abbauen, könnten sie gemeinsam ein Konsortium bilden, das die Abwehrmechanismen der Fichte durchbricht und somit den Schlüssel für eine erfolgreiche Besiedlung durch Borkenkäfer darstellt”, meint Jonathan Gershenzon, Direktor der Abteilung Biochemie.
In weiteren Untersuchungen möchten die Forschenden herausfinden, welches Enzym für die Ribosylierung verantwortlich ist und ob diese Fähigkeit auch bei anderen Pilzarten vorkommt. Darüber hinaus wollen sie klären, ob die Ribosylierung die Zusammensetzung des Mikrobioms – also der Gesamtheit aller Mikroorganismen – in den Fraßgängen der Borkenkäfer beeinflusst und somit auch die Fitness der Käfer. Die Forstwirtschaft könnte diese Erkenntnisse nutzen, um neue Strategien zur Eindämmung von Borkenkäferbefall zu entwickeln. Ein Ansatz wäre beispielsweise die gezielte Veränderung der mikrobiellen Gemeinschaften in Fichten.
Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Originalpublikation:
Nimbkar, S. K.; Nakamura, Y.; Hu, B.; Hong, B.; Rothe, B.; Reichelt, M.; Lehenberger, M.; Hu, G.; Restrepo-Leal, J. D.; Jiang, X.; Gershenzon, J.; Sun, R. (2026). Fungi associated with Norway spruce and its bark beetles detoxify spruce defense compounds by conjugation to alpha-ribose. The ISME Journal, wrag230, https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag230
