Wirtswechsel ermöglichende Faktoren im Pilz/Gras Pathosystem

Brandpilze sind biotrophe Schädlinge welche vorwiegend Gräser, unter anderem wichtige Nutzpflanzen wie Gerste, Weizen, Mais, Hirse und Zuckerrohr als auch Futtergräser befallen. Die bisher rund 1200 identifizierten Brandpilz Arten zeigen eine relativ hohe Wirtsspezifität und können in der Summe rund 4000 verschiedene Wirtspflanzen infizieren. Das Wirtsspektrum eines Pathogen ist ein Produkt der Aneignung neuer oder der Anpassung bestehender Virulenzfaktoren (könnten z.B. kleine sekretierte Proteine, so gennante Effektoren sein) oder auch der Verlust von Genen deren Genprodukte vom Wirt erkannt und daher als Avirulenz- faktoren bezeichnet werden. Wirtsseitig können sogenannten Resistenzgenprodukten welche bei der Pathogenerkennung wichtig sind oder aber quantitativ wirkenden Resistenzgene eine Wirtsspektrum begrenzende Rolle spielen. Wir haben interspezifische Paarungen zwischen Ustilago bromivora und verschiedenen, andere Gräser als Brachypodium infizierenden Pilzen identifiziert. Diese Hybride können die Modelpflanze Brachypodium distachyon infizieren und bis zur Sporenbildung als Hybrid ihren Lebenszyklus vollständing durchlaufen. Diese Entdeckung ist die Basis für die exemplarische Entschlüsselung der molekularen Basis der Wirts-Wechsel ermöglichenden Faktoren durch eine Kombination von genetischen Rückkreuzungen und vergleichender Genomik wie in diesem Antrag erläutert. Wirtswechsel Ereignisse erzeugen ernsthafte Schäden in den Wirtspflanzen und werden auch in der Zukunft eine reale Bedrohung kommender Ernten darstellen. Neben ihrer ökonomischen Wichtigkeit wird ein molekulares Verständnis der Wirtswechsel Faktoren Einfluss auf evolutionäre Aspekte der rund 1200 Brandpilze und darüber hinaus haben.

Brandpilze bilden eine Gruppe von über 1200 Arten, die als biotrophe Krankheitserreger hauptsächlich Graswirte befallen, darunter wichtige Kulturpflanzen wie Mais, Sorghum und Gerste. Eine Gemeinsamkeit unter Brandpilzen ist, dass ihr Sexualzyklus eng mit der Infektiosität verknüpft ist. Die Infektion erfolgt meist im frühen Sämlingsstadium der jeweiligen Wirtspflanze. Nach Eindringen in die Pflanze wächst der dikaryotische Erreger biotroph inter- und intrazellulär in seinem Wirt und makroskopische Symptome beschränken sich meist ausschließlich auf die Blütenstände. Die Paarung von kompatiblen Paarungspartnern in Brandpilzen wird durch ein Pheromonrezeptorsystem gesteuert, das Spezifität bereitstellt. Nichtsdestotrotz wurde zuvor gezeigt, dass interspezifische Paarung häufig unter in vitro-Bedingungen stattfindet. Wir fanden heraus, dass die beiden Brandpilze Ustilago bromivora und Ustilago hordei als Hybride das Wirtsgras Brachypodium spec. von U. bromivora infizieren können. Durch systematische Rückkreuzungen mit U. hordei über vier Generationen und Sequenzierung von noch infizierenden Hybridrückkreuzungen und nicht mehr infizierenden Hybridrückkreuzungen stellten wir fest, dass die Virulenz von U. bromivora quantitativ mit vielen Loci verbunden ist. Das bedeutet, dass verschiedene Kombinationen von Virulenzfaktoren letztlich zu Infektionssymptomen führten und dass einzelne Faktoren kleine Beiträge zur Virulenz leisteten, die es dem Pilz ermöglichten, seinen Lebenszyklus abzuschließen. Wir haben uns in unserer Studie weiter auf die funktionelle Charakterisierung von konservierten Effektoren mit Virulenzfunktion konzentriert und einen ROS-Burst-inhibierenden Effektor Rip1 identifiziert, der auf eine konservierte Pflanzenlipoxygenase abzielt, die als Anfälligkeitsfaktor fungiert.