Ustilago maydis befällt Blätter der Maispflanze. Am Ort der Infektion bilden sich auffällige Gallen, die die Größe eines Kinderkopfes erreichen können. Der Schadpilz profitiert davon: Das massive Wachstum des Gewebes verschlingt Energie und Ressourcen, die dann für die Verteidigung gegen den Erreger fehlen. Zudem findet Ustilago in den Wucherungen ein ideales Nährstoffangebot vor und kann sich dort gut vermehren.
„Wie der Pilz seinen Wirt dazu bringt, Gallen zu bilden, ist noch weitgehend unbekannt“, erklärt Prof. Dr. Armin Djamei. Der Wissenschaftler, der am INRES-Institut der Universität Bonn die Abteilung Pflanzenpathologie leitet, wollte diese Lücke zusammen mit seiner Arbeitsgruppe schließen. „Wir wussten, dass Ustilago hunderte Eiweiße produziert, die den Mais manipulieren. Eine Gruppe dieser Eiweiße sind die sogenannten Tip-Effektoren.“
Pilz-Gene in Pflanzen-Erbgut eingefügt
Die Forschenden fügten die Pilzgene mit den Bauanleitungen für die Tip-Effektoren in das Genom der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ein. Die Pflanze produzierte danach also Proteine, die normalerweise der Pilz herstellt. Auf diese Weise lässt sich herausfinden, was diese Moleküle genau bewirken.
„Unsere genetisch veränderten Pflanzen zeigten an ihren Wurzeln charakteristische Auffälligkeiten“, sagt Dr. Mamoona Khan, die einen großen Teil der Experimente durchgeführt hat. „Sie bildeten dort sogenannte Kalli, also Gewebe, dessen Zellen sich sehr rasch vermehren. Diese Kalli wiederum bestehen aus pflanzlichen Stammzellen, die normalerweise bei der Bildung der Seitenwurzeln aktiviert werden und sich dann zu teilen beginnen.“ Mit genetischen Versuchen in Mais und weiteren Analysen konnten die Forscher zeigen, dass diese Entdeckung sehr wahrscheinlich auch für den natürlichen Wirt von Ustilago maydis gilt.
Blattschädling zweckentfremdet Wurzel-Programm
Ustilago scheint also ein Programm für die Seitenwurzelbildung zu kapern, um in den Mais-Blättern die Zellteilungsaktivität zu erhöhen und so Gallen zu erzeugen. Andere Ergebnisse bekräftigten diese Hypothese. So wies das Team nach, dass Tip-Effektoren die Bildung verschiedener Transkriptionsfaktoren regulieren. Diese wiederum entscheiden darüber mit, welche Erbanlagen in welcher Menge abgelesen werden.
Man kennt zudem die Transkriptionsfaktoren, die für die Bildung der Seitenwurzeln hochreguliert werden müssen. Die Forschenden haben diese Faktoren in Mais so verändert, dass sie nicht mehr funktionierten. Die entsprechenden Pflanzen entwickelten daraufhin nach einer Ustilago-Infektion nur noch sehr kleine Gallen. „Außerdem haben wir verglichen, welche Gene in normalen Maispflanzen in den Gallen und in sich bildenden Seitenwurzeln aktiv sind“, erklärt Mamoona Khan. „Dabei fanden wir große Übereinstimmungen, die sich nicht durch Zufall erklären lassen.“
Erkenntnisse für die Züchtung resistenterer Sorten
Ustilago maydis produziert keine Toxine. Der befallene Mais lässt sich problemlos an Tiere verfüttern. Der Erreger stellt daher für die Landwirtschaft kein großes Problem dar. Bei manchen verwandten Arten sieht das anders aus. „Unter den Brandpilzen, zu denen auch Ustilago zählt, gibt es einige wichtige Schädlinge“, betont Prof. Dr. Armin Djamei, der auch im Transdisziplinären Forschungsbereich TRA „Sustainable Futures“ und im Exzellenzcluster „PhenoRob“ der Universität Bonn forscht. „Wenn wir die Infektionsmechanismen besser verstehen, kann das eventuell zur Züchtung von Nutzpflanzensorten beitragen, die gegen diese Erreger resistent sind.“
Universität Bonn
Originalpublikation:
Mamoona Khan et. al.: Pathogenic fungus Ustilago maydis exploits the lateral root regulators to induce pluripotency in maize shoots; New Phytologist; DOI: 10.1111/nph.70843, http://doi.org/10.1111/nph.70843
